作为重要的化石能源, 褐煤资源潜力巨大、 分布广泛但综合利用率低。 研究褐煤的分子结构模型, 有助于预测褐煤在热解、 液化和气化过程中的化学反应机理及反应路径, 进而提高褐煤的综合应用水平。 以云南峨山褐煤为研究对象, 利用傅里叶变换红外光谱、 ¹³C核磁共振波谱及X射线光电子能谱等分析测试方法, 获取了峨山褐煤的含碳、 含氧及含氮结构参数。 在此基础上, 借助Gaussian 09计算平台, 采用量子化学建模的方法构建并优化了峨山褐煤的分子结构模型。 研究结果表明: 峨山褐煤的芳碳率为39.20%, 芳香碳结构主要为苯和萘, 且芳香桥头碳与周边碳的比值χ_b为0.07; 脂碳率为49.51%, 脂肪碳结构主要为亚甲基, 季碳和氧接脂碳; 氧原子主要存在于羟基、 醚氧、 羰基和羧基结构中; 含氮结构则以吡啶为主。 基于元素分析、 ¹³C 核磁共振波谱分析, 又经过热重实验消除褐煤中残余水分的影响后, 计算出峨山褐煤的分子式为C₁₅₃H₁₃₇O₃₅N₂。 依据分子式及分析结果计算出峨山褐煤的结构单元含量并构建出其初始结构模型, 采用半经验法PM 3基组及密度泛函理论M06-2X/3-21G基组对初始分子构型进行优化。 优化后的分子模型具有明显的三维立体特征, 芳香环之间较为分散且在空间中排列不规则, 芳香簇主要通过亚甲基、 醚氧基、 羰基、 酯基和脂肪环连接, 含氧官能团主要分布在分子边缘, 脂肪族侧链较多。 对优化后的分子模型进行振动频率计算进而获得了分子模型的模拟红外光谱, 其与实验红外谱图吻合度良好, 证明了峨山褐煤分子结构模型的准确性、 合理性。 分子结构模型的构建有利于直观地了解峨山褐煤的分子结构特征, 从而有助于从微观分子角度研究峨山褐煤的宏观性质。 同时, 峨山褐煤分子结构模型可为其在热解、 液化和气化等领域研究中提供理论指导。

气肥煤是炼焦煤的主要煤种之一, 研究高硫气肥煤的结构并构建分子结构单元模型, 对气肥煤脱硫提质, 优化炼焦配煤, 节约优质炼焦煤资源具有重要意义。 选择山西高阳矿区高硫气肥煤, 利用FTIR, ¹³C CP/MAS-NMR, XPS等测试分析方法表征煤中碳、 氧、 氮、 硫赋存特征, 结合煤质分析结果, 计算芳香结构、 脂肪结构和杂原子结构参数, 并构建高阳高硫气肥煤分子结构单元模型。 研究结果表明: 与芳环上π电子形成的羟基 π 氢键是高阳高硫气肥煤最主要的羟基结构, 占比为73.20%, 羟基自缔合氢键、 醚氧键与羟基形成的氢键含量较高, 占羟基总量的24.38%, 游离羟基含量仅占2.42%, 煤中缔合结构以多聚体形式为主。 含氧官能团主要以共轭羰基和酚羟基的形式存在, 芳基醚和羧基含量较少。 亚甲基是最主要的脂肪烃结构, 占比为41.85%, 甲基、 次甲基占比分别为29.86和28.29%。 芳香烃结构主要有苯环五取代、 苯环三取代和苯环四取代三种形式, 占比分别为41.42%, 30.65%和19.82%。 芳氢率和芳碳率分别为0.34~0.35和0.73~0.77, 芳核平均结构尺寸X_b为0.43。 煤中噻吩、 (亚)砜、 硫醇(醚)和无机硫含量分别为35.90%, 27.61%, 18.40%和18.09%。 氮主要以吡啶和吡咯结构存在, 质子化吡啶和氮氧化物较少。 通过对煤结构的表征, 设计分子结构单元中有芳香烃碳原子118个, 羧基和羰基共5个, 脂肪烃碳原子35个, 氧、 硫、 氮原子各8、 2、 2个; 根据煤中杂原子结构解析结果, 确定分子结构模型单元中包含噻吩、 亚砜、 吡啶、 吡咯、 酚羟基、 醚氧键等官能团。 以此研究为基础构建分子式为C₁₆₅H₁₂₈O₈N₂S₂的高阳高硫气肥煤分子结构单元模型。