1 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院, 辽宁 阜新 123000
2 辽宁工程技术大学安全科学与工程研究院, 辽宁 阜新 123000
为探究断层构造作用对煤化学结构特征和微晶结构特征的影响, 采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析, 对红庆梁矿和段王矿的原生煤及断层构造煤进行分析。 结果表明, 受断层构造作用影响, 红庆梁、 段王断层构造煤中苯环二取代、 苯环四取代的含量明显大于原生煤, 苯环三取代和苯环五取代的含量低于原生煤, 断层构造煤中C-O-C伸缩振动、 -CH2反对称弯曲振动、 -CH3、 -CH2和芳环-OH含量均多于原生煤, 断层构造煤中醚C-O振动、 芳烃CC、 -CH和OH-π含量低于原生煤。 红庆梁、 段王断层构造煤的芳碳率fa是原生煤的1.01和1.03倍, 芳环缩合度DOC是原生煤的1.01倍和3.7倍, CH2/CH3值是原生煤样的0.933倍和0.94倍, 芳香度I分别是原生煤样的1.01倍和1.34倍。 说明断层构造作用促使官能团和脂肪链脱落, 增加煤的缩聚程度, 降低煤中脂肪侧链的长度, 增大芳香结构含量。 XRD测试结果表明, 原生煤和断层构造煤具有相近的矿物组分, 断层构造作用未对煤中矿物组分的类型产生明显的改变。 在2θ=26°附近存在特征(002)带, 表明存在少量的层状石墨结构, 然而在2θ=45°附近并没有清楚地显示(100)带, 说明煤中石墨结构的基面生长水平较低。 红庆梁、 段王断层构造煤的晶间间距d002值与原生煤相比变化很小, 微晶堆积高度Lc值分别是原生煤的0.904 5倍和0.902 7倍, 芳香度fa-XRD值分别是原生煤的1.143 9倍和1.066 9倍, 晶体堆叠平均层数Nave值分别是原生煤的0.909 45倍和0.923 56倍。 断层构造作用减小煤的芳香层片堆砌度, 增大煤的芳香度, 减少了煤微晶结构单元的堆叠层数, 说明断层构造促进煤中非芳香化合物向芳香化合物的转化。 断层构造煤的芳香度、 成熟度更高, 断层构造煤的燃烧反应性弱于原生煤。
煤结构分析 官能团 断层构造 Coal structural analysis Functional group FTIR FTIR XRD XRD Fault tectonic
山东理工大学资源与环境工程学院, 淄博 255000
无水碳酸镁晶体作为一种新型无机功能材料引起了研究者们的广泛关注。以氯化镁为原料, 碳酸钠为沉淀剂, 合成了无水碳酸镁晶体, 再以甘氨酸、组氨酸、丙氨酸及L-天门冬氨酸四种不同种类氨基酸作为添加剂, 调控其结晶的粒度及形貌。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、激光粒度分析仪对合成产物进行表征, 分析不同种类氨基酸对合成的无水碳酸镁晶体物相结构和形貌的影响。结果表明: 在组氨酸调控下合成的无水碳酸镁结晶纯度高, 生成的产物中n(Mg2+)∶n(CO2-3)为1∶0.94; L-天门冬氨酸调控合成的晶体纯度次之; 甘氨酸和丙氨酸调控合成的晶体中掺杂大量碱式碳酸镁晶体。在组氨酸、L-天门冬氨酸、甘氨酸及丙氨酸四种氨基酸调控作用下, 晶体结晶形貌依次呈凸面球三角形状、近球状、球状及不规则状, 且无水碳酸镁晶体粒径分布均呈先上升后振荡下降最后小粒径拖尾的趋势。以上研究结果为无水碳酸镁晶体的仿生合成提供了参考。
氨基酸 官能团 无水碳酸镁 粒度分布 水热合成 微观结构 amino acid functional group anhydrous magnesium carbonate particle size distribution hydrothermal synthesis microstructure
昆明理工大学冶金与能源工程学院，锂离子电池及材料制备技术国家地方联合工程实验室，昆明 650093
直接碳燃料电池(DCFC)是一种清洁高效利用碳资源发电的装置。其因能量转换率高，对环境污染小，燃料选择范围广等优点获得了越来越多的关注。DCFC的性能与使用的燃料密切相关，为了探究燃料对DCFC的影响，本文分别阐述了石墨、炭黑、中密度纤维板、生物质、煤、活性炭的特性及改性方法，分析讨论了燃料表面含氧官能团以及燃料中的金属催化剂对阳极电化学反应的促进作用，发现燃料表面化学性质要比比表面积更加重要。同时，本文也提出了对生物质这一优良的可再生资源的期待，为未来DCFC燃料的发展提供参考。
直接碳燃料电池 碳资源 含氧官能团 金属催化剂 生物质 燃料 DCFC carbon resource oxygen-containing functional group metal catalyst biomass fuel
安徽工业大学能源与环境学院, 安徽 马鞍山 243002
以甲烷、 乙烯、 氢气混合扩散火焰碳烟为研究对象, 采用激光共聚焦拉曼光谱(Raman)和傅里叶红外光谱(FTIR)研究了不同掺甲烷比例下乙烯、 氢气混合火焰碳烟有序度及官能团的分布特性, 分析了碳烟石墨化和官能团分布, 揭示了掺甲烷对乙烯/氢气(氢气比例30%)层流扩散火焰的碳烟生成影响规律。 Raman研究表明在甲烷掺混比为3%和7%时, 在火焰高度低于4cm位置生成的碳烟有序程度显著降低, 表明在此区域存在明显的碳烟生成协同效应; 甲烷掺混比增大超过10%时, 协同效应基本消失, 碳烟有序度上升。 FTIR研究表明掺混甲烷对碳烟官能团组成影响明显。 掺混甲烷后脂肪族官能团相对含量整体提高。 随着甲烷掺杂比的增大, CH2相对含量增大到一峰值后减小。 碳烟中芳香族官能团含量随着火焰高度的上升含量下降明显。 掺混3%和7%甲烷, 芳香族官能团在2和3 cm火焰高度时, 芳香族官能团的含量明显上升。 掺混甲烷比高于10%时, 芳香族官能团的含量则有所降低。 表明少量甲烷掺混使得CH3和C3H3生成有了新的途径, CH3和C3H3增加, 而C2H4和C2H2减少不明显, 从而促进了多环芳香烃(PAHs)的生成。 继续增加甲烷因为稀释作用会抑制C2H2生成从而减少PAHs的生成, 芳香族相对含量降低, 因而降低了碳烟的生成。 研究揭示了甲烷对乙烯/氢气层流扩散火焰中碳烟形成的相互作用: 在低甲烷掺混比时存在协同效应促进碳烟生成, 而在高甲烷掺混比时协同效应消失。
碳烟 协同效应 官能团 碳烟有序度 掺氢 Soot Synergistic effect Soot order degree Functional groups Hydrongen addition 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3722
1 内蒙古科技大学矿业与煤炭学院, 内蒙古 包头 014010
3 煤炭科学技术研究院有限公司矿山智能通风事业部, 北京 100013
6 陕煤集团神木张家峁矿业有限公司, 陕西 榆林 719000
为研究煤样的化学结构特征随煤样变质程度加深的演化规律, 采用傅里叶变换红外光谱与分峰拟合技术研究了5种不同变质程度煤样的官能团分布特征, 并依据其结果计算了结构参数。 结果表明: 不同变质程度煤样的化学结构特征存在明显差异, 但随煤样变质程度加深, 其演化规律整体趋势相似, 即相对具有较高活性的官能团逐渐减少, 较为稳定的官能团逐渐增加, 煤样的化学结构整体向稳定、 有序发育。 在羟基官能团方面, 游离羟基逐渐减少, 而羟基与芳环中π电子云间形成的羟基-π氢键逐渐增加, 羟基自缔合氢键是煤中羟基氢键的主要类型, 其相对含量在40%~55%内波动, 羟基醚氧氢键与环状缔合氢键整体呈减少趋势。 在脂肪烃结构方面, 实验煤样中亚甲基的相对含量均高于甲基与次甲基, 说明煤中脂环结构与脂链结构较为发达; 而结构参数A(CH2)/A(CH3)先增后减, 说明由甲基、 亚甲基与次甲基构成的脂肪链在低变质程度煤样中有发育趋势, 在中、 高变质程度煤样中开始断裂, 脂肪链总体长度呈先增长后缩短趋势, 但支链数量整体上却呈先减后增趋势。 在含氧官能团方面, 芳香酯减少, 活性较高的羧基逐渐减少, 羰基在低、 中变质程度煤样中相对含量的变化较小, 而在高变质程度煤样中的相对含量明显减少; 酚中C—O的相对含量呈先增后减趋势, 芳基醚与烷基醚的相对含量逐渐增加, 并成为无烟煤中的主要含氧官能团。 在芳香烃结构方面, 苯环取代以三取代为主, 结构参数$f^{C}_{ar}$与DOC逐渐变大, 说明煤中芳香体系增大, 芳香结构缩合程度逐渐增强, 无烟煤中芳香结构的缩合程度远强于其他煤样。
煤 傅里叶变换红外光谱 官能团 结构参数 变质程度 Coal FTIR Functional group Structural parameters Metamorphic degree 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3363
生物炭作为一种新型的环境功能材料, 由于其特殊的结构和理化性质, 具有修复污染、 改良土壤、 固碳减排等多重环境效益, 越来越受到人们的关注, 已经成为一个新的研究热点。 生物炭表面官能团的种类及分布, 决定其理化性质。 而热解温度和原料类型是影响生物炭官能团的两个重要因素。 以鸡粪、 牛粪和猪粪为原料, 在不同温度(200~700 ℃)下热解制备畜禽粪便生物炭。 在一维红外光谱分析的基础上, 通过傅里叶变换红外光谱技术结合二维相关分析方法, 揭示畜禽粪便生物炭的官能团随着热解温度升高的变化规律, 为更好的研究生物炭的构效关系提供理论基础。 结果表明: 随着热解温度的升高, 在3 600~2 800 cm-1波段, 3种畜禽粪便生物炭的官能团变化主要体现在醇、 酚—OH和脂肪族—CH2峰减弱, 其中, 鸡粪生物炭的醇、 酚—OH和脂肪族—CH2峰变化最明显。 此外, —OH峰的变化强度高于—CH2并且先于—CH2变化。 在1 800~800 cm-1波段, 鸡粪、 牛粪和猪粪生物炭受响应的特征峰数目分别为6, 5和6个, 各特征峰的变化强度顺序分别为鸡粪生物炭: 芳环C=C>C=O>C—O/Si—O>P—O/C—H; 牛粪生物炭: C=O>C=C和P—O/C—H>C—OH和C—O/Si—O; 猪粪生物炭: C=O>C=C>COO->羧酸C—OH>P—O/C—H=C—O/Si—O。 3种畜禽粪便生物炭的部分官能团变化相似: 即C=O和C=C官能团均发生了断裂及重组, 且C=O断裂先于C=C。 然而, 不同粪便生物炭的官能团变化也存在差异, 主要表现在鸡粪生物炭中C—O/Si—O变化先于P—O/C—H, 牛粪生物炭中P—O/C—H变化先于C—O/Si—O, 猪粪生物炭中C—O/Si—O与P—O/C—H变化同时发生。
畜禽粪便 生物炭 红外光谱 二维相关分析 官能团 Animal manure Biochar Fourier transform infrared spectroscopy Two-dimensional correlation analysis Functional groups 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3606
1 集成光电子学国家重点实验室, 吉林大学电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
2 吉林大学口腔医(学)院种植科, 吉林 长春 130021
利用激光烧蚀聚酰亚胺薄膜制备石墨烯材料薄膜,辅助氧等离子体处理制备表面具有更多含氧官能团数量的石墨烯薄膜。采用扫描电子显微镜分析薄膜表面形貌,制备的石墨烯材料具有微孔结构。通过X射线光电子能谱分析石墨烯表面元素含量,经氧等离子体处理后,石墨烯氧含量(原子数分数)达到15.6%。利用接触角测量表征石墨烯薄膜水下疏油性质,在水中薄膜与三氯甲烷液体的接触角约为150°。该方法为大批量制备具有水下疏油特点的石墨烯薄膜提供可行性方案。
激光光学 石墨烯 微结构 含氧官能团 水下疏油 激光与光电子学进展
2020, 57(15): 151408
1 中国农业大学资源与环境学院, 北京 100094
2 沈阳农业大学农学院, 辽宁 沈阳 110161
该研究主要探讨不同退化程度和人工恢复方式对草原土壤胡敏酸结构的变化特征, 为退化草原恢复提供理论依据。 在鄂尔多斯沙地不同退化样地与人工恢复草地, 对草原土壤的腐殖酸进行了分离提取, 采用元素分析、 13核磁共振（NMR）等方法对荒漠草原土壤退化与恢复过程中土壤胡敏酸（HA）不同官能团的含量变化进行分析, 并用因子分析法研究它们的结构特征和差异。 结果表明: 不同退化及恢复阶段HA碳骨架相似, 但各类碳原子（官能团）的含量不同, 芳香族和脂肪族结构在胡敏酸结构中发挥了重要作用。 退化阶段, 土壤HA的芳香碳减少, 碳水化合物减少, 土壤HA的氧化程度增加, 疏水程度降低。 恢复阶段土壤芳香碳含量增加, 碳水化合物含量增加, 疏水程度略有降低。 土壤退化及恢复阶段, 胡敏酸（HA）的结构变化最大的部分是芳香碳、 取代脂肪碳结构, 其次是羧基和酯基碳和未取代脂肪碳结构。 植被恢复对腐殖酸结构的变化有重要的影响, 本氏针茅区和本氏针茅+油蒿区的HA结构中芳香化程度和复合程度较高, 氧化程度低。 围栏样区内土壤胡敏酸（HA）的酸度相对较高, 芳香化程度和复合程度仍然较低。 因此, 土壤胡敏酸结构特征的变化可以反映草原土壤的退化程度, 进一步揭示草原土壤退化的机制。
胡敏酸 结构变化 官能团 元素分析 因子分析 Humic acid Structural changes Functional steppe soil 13 NMR 13 NMR Factor analysis 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2954
1 中国地质大学（武汉）材化学院, 湖北 武汉 430074
2 华南理工大学广州学院珠宝学院, 广东 广州 510800
以辽宁抚顺地区产出的煤精为研究对象, 通过红外光谱测量和变温实验, 了解煤精官能团表征及热变异行为。 结果显示: 辽宁抚顺煤精红外吸收光谱和衰减全反射光谱谱峰均集中于2 900~2 800和1 600~1 200 cm-1两个区域; 低温氧化的过程红外光谱拟合处理表征煤精的热变异行为由ν（CH2）伸缩振动引起的吸收谱带随温度的升高呈下降趋势, 而ν（CO）伸缩振动引起的吸收谱带则随温度的上升呈上升趋势, 由于受到石化过程中的氧化作用, 煤精中的烷烃逐渐减少, 而含氧官能团不断增加, 由此推测煤精的生成环境是厌氧还原型环境。
红外光谱 官能团 热变异行为 煤精 FTIR Functional group Thermal variation behavior Jet 光谱学与光谱分析
2017, 37(6): 1819
