煤基富勒烯电子性质和非线性光学性质的密度泛函理论研究

使用基于密度泛函理论的量子化学计算方法对煤基富勒烯进行了研究。重点关注由氮和硅掺杂C₆₀形成的杂化富勒烯结构。计算了这些杂化富勒烯的几何结构、稳定性、电子结构、介电常数和非线性光学性质并与未掺杂富勒烯相比较。研究发现,氮掺杂富勒烯失电子能力增强而硅掺杂富勒烯得电子能力增强。此外,根据计算结果可知掺杂可使富勒烯介电常数增大。对煤基富勒烯的非线性光学性质进行了探讨,发现氮掺杂富勒烯和硅掺杂富勒烯均具有比未掺杂富勒烯明显大的三阶非线性光学系数。     

吡咯和吡啶燃烧的反应分子动力学模拟

采用基于反应力场的分子动力学方法(ReaxFF)研究了吡咯和吡啶的燃烧反应机理。重点考察了不同温度下吡咯和吡啶的燃烧过程中反应物、产物和主要反应中间体的分子数量变化规律,基于动力学轨迹可视化地观察获得了吡咯和吡啶的燃烧反应机理。结果表明,温度是影响芳香氮化物燃烧的重要因素。在燃烧过程中,随着温度的升高,CO2、H2O和氮氧化物(NOx)的生成速率逐渐加快,数量增多。随着反应的进行,CO2和H2O的生成量会逐渐趋于平衡,且达到平衡的时间随温度的升高而加快。吡咯和吡啶的分解速率都随着温度的升高不断增大。但在相同温度下,吡啶的分解时间比吡咯要长,分解速率比吡咯要低。两者燃烧产物、氧化过程中的含氮中间体相同,但热解开环方式、烃类自由基裂解路径明显不同。     

宁东红石湾煤大分子模型构建及量子化学计算

使用工业分析、元素分析、固体核磁（¹³C NMR）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对宁东红石湾（HSW）煤样进行表征,获得煤样中元素赋存的种类、价态、化学键环境等物质微观结构的关键参数。结果表明HSW煤结构以芳香族为主,占75.96%,桥接芳碳与周碳比为0.315,可知其结构中以萘为主,苯和蒽为辅。氧原子主要以醚氧基（C-O）、羰基（C=O）和羧基（-COO）的形式存在,其中C-O占53.57%。氮原子以吡啶和吡咯的形式存在。苯环的连接方式以三、四取代为主,分别占47.77%、32.97%,脂肪族中环烷烃或脂肪烃-CH₃占优势。确定HSW煤的分子式为C₂₂₁H₁₄₈O₂₈N₂,分子量为3142.32。在此基础上结合计算机辅助实现了二维和三维大分子模型构筑。应用量子化学计算对HSW煤大分子模型进行了优化及核磁共振、红外光谱模拟,验证了所建模型的合理性。最终实现了HSW煤的微观分子结构的实验与量子化学描述。     

氮、硅掺杂对煤基碳纳米管电子性质和杨氏模量的影响研究

近年来以煤为原料制备获得碳纳米管已经在实验室中得以实现,这开拓了碳纳米管低成本制备的途径。然而,煤基碳纳米管中氮、硅等原子掺杂对于碳管结构和功能性质影响的研究仍然相对较少。本研究使用基于第一性原理的自洽场晶体轨道法对硅、氮原子掺杂的(6,6)碳管进行研究。探讨硅、氮原子掺杂对碳纳米管电子性质和杨氏模量的影响。研究发现,氮原子和硅原子取代掺杂缺陷的形成在能量上是不利的,尤其对于硅掺杂。能带结构的计算表明,氮掺杂碳管显示金属导电性,而硅掺杂碳管发生了金属/半导体性质的转变,为半导体。杨氏模量的结果暗示,氮掺杂可以增强煤基碳管的力学性能。     

超细非晶态合金NiB催化剂的制备、表征及其催化加氢性能

采用化学还原法,通过在制备过程中加入KAl(SO4)2和NaOH,制备了超细非晶态合金结构的NiB催化剂。Al(OH)3的生成是制备超细NiB催化剂的关键因素,且NiB的粒径随着Al(OH)3生成量的增加而减小。当Al/Ni摩尔比为1∶1时,该方法制备的NiB催化剂粒径约为未加入铝盐时的1/6。催化评价表明,在糠醛加氢和硝基苯加氢反应中,制备的NiB催化剂的活性随着制备过程Al(OH)3生成量的增加而增大。当Al/Ni摩尔比为1∶1时,NiB催化剂的催化活性为未加入铝盐时的3倍,其原因可以归于该方法制备的NiB催化剂小的粒径和大的比表面积。同时,采用含铝盐废液制备的NiB催化剂的催化结果表明,该方法制备过程的铝盐可以循环使用。     

溶剂抽提及1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐热溶解聚对羊肠湾次烟煤萃取行为的影响

溶剂萃取是制备超净煤和研究煤分子结构的重要方法之一,对于实现煤资源高效清洁转化具有重要意义。选取中国宁东羊场湾 (YCW) 煤作为研究对象,考察多种溶剂及添加离子液体1 乙基 3 甲基咪唑醋酸盐(［Emim］［AC］)对煤萃取效果的影响。结果表明,煤的萃取产率从大到小的顺序遵循着含氮类、醇类、酮类、烃类的规律。所选取的9种溶剂中,二甲基亚砜对 YCW 煤的萃取产率最高。对于同类溶剂而言,极化率越大,萃取产率越高。研究还发现,离子液体 ［Emim〖DK(〗］［〖DK)〗AC］ 的添加可以显著提高 YCW 煤在溶剂中的萃取产率。此外,离子液体的回收率也可达到915%。     

煤颗粒燃烧过程氧化机理及有机氮转化的分子模拟：以宁东红石湾煤为例

煤燃烧是煤炭资源有效利用的重要方式之一。从原子分子水平上识别煤燃烧的机理，系统把握反应条件的影响，揭示含氮污染物迁移转化的路径对于煤炭高效清洁利用具有重要意义。以前期构建的宁东红石湾煤分子结构模型为基础，采用反应分子动力学模拟方法对煤大分子结构聚集态模型进行燃烧反应模拟，考察化学当量比和反应温度对燃烧过程中结构演变、燃烧反应物和产物的影响，探究有机氮转化路径。研究发现，随着反应不断进行，煤结构的断裂变化非常明显。不同化学当量比和不同温度下煤燃烧的结果表明，化学当量比越大、燃烧温度越高时，O₂分子消耗速度越快，CO₂的生成量也越多。对燃煤过程中含氮气体分子数量的分析表明，HCN是重要的含氮中间产物，NO、NO₂是主要含氮气体产物。本研究还建立了煤燃烧过程中有机氮的转化路径，获得了HCN、NO和NO₂的演变过程。     

系列C1化学分子与石墨炔表面相互作用的 分子模拟

利用密度泛函理论计算方法,系统研究了6种C1分子(CH4、CO、CO2、CH3OH、HCHO和HCOOH)与石墨炔的表面相互作用。考察了C1分子的不同吸附构象以及与石墨炔表面的不同作用位点。获得了C1分子在石墨炔表面优势吸附的稳定性结构特征。结果表明,除CH4外,其他C1分子的优势吸附构象均出现在石墨炔大孔C12环处。基于能量分解分析揭示了C1分子与石墨炔纳米片之间的相互作用主要由色散作用主导。此外,还利用约化密度梯度函数直观地刻画了C1分子与石墨炔纳米片之间相互作用的区域和类型。     

离子液体-微波辅助从黄连提取小檗碱的实验与分子模拟

从黄连中高效提取小檗碱等生物活性物质对于中药资源有效利用具有重要意义。然而，黄连中异喹啉类生物碱具有较为相近的化学结构和理化性质，导致高效提取难度增大。离子液体作为优异的反应介质在天然活性物质提取中显示出良好的前景。同时，微波作为新型辅助手段有利于天然植物中药物活性组分的提取和分析研究。以黄连为研究对象，采用离子液体-微波辅助联合方法，提取药用植物中的有效成分小檗碱，实现过程强化与高效提取。研究以离子液体-水溶液为溶剂的微波辅助法，重点考察提取过程中离子液体种类以及固液比、溶液pH、微波时间、微波加热温度、微波功率等工艺条件对提取收率的影响。此外，基于现代密度泛函理论的分子模拟计算，研究微波外场和不同离子液体在小檗碱提取过程中的作用，从分子尺度上揭示离子液体与小檗碱相互作用的物理本质。     

芳烃类有机溶剂对羊场湾煤不同显微组分的超声辅助萃取

溶剂萃取在煤结构研究中占有重要地位,对从分子水平上深入探究煤反应特性具有重要指导意义。本研究选用宁夏宁东羊场湾（YCW）煤作为研究用煤,结合超声辅助萃取技术,主要考察了三种芳烃类有机溶剂对两种煤岩显微组分萃取结果的影响。结果表明,镜质组的萃取产率普遍高于惰质组。首先,通过傅里叶红外（FTIR）研究发现,芳烃类溶剂可有效地分离出煤中的脂肪烃,且在萃取之后脂肪链长度增加。其次,萃取产物的气相色谱-质谱联用（GC/MS）结果显示,萃取产物主要由脂肪烃和酯类化合物组成。其中惰质组正构烷烃的分子量大于镜质组,酯类化合物主要以邻苯二甲酸酯和邻苯二甲酸二酯的形式存在。最后,通过X射线光电子能谱（XPS）分析发现,相比于惰质组,镜质组中含有更多的脂肪烃类物质,这导致其具有更高的萃取产率。由于二甲苯和甲苯萃取产物中惰质组的酯类化合物含量高于镜质组,推测惰质组中的碳氧双键主要以酯基的形式存在。