山西高阳焦煤碳结构研究与谱学表征

煤是由多种官能团、多种化学键组成的复杂有机结构大分子物质,有机质碳是煤结构的骨架,是构成煤中有机质及形成焦炭的主要元素。研究炼焦煤中的碳结构,对构建炼焦煤大分子结构模型,认知炼焦煤结构及反应性具有重要意义。分别利用Peakfit V4和XPS Peak4.1软件对~(13)C CP/MAS-NMR、FTIR和XPS谱图进行拟合解析,对比研究不同测试方法的解析结果,探索炼焦煤中碳结构的主要特征,获取芳碳率、芳氢率、芳核平均结构尺寸等煤结构单元基本参数。山西高阳焦煤芳碳率的~(13)C CP/MAS-NMR、FTIR和XPS分析结果基本一致,分别是0.81、0.83和0.81。FTIR分析结果表明,芳香结构主要包括苯环二取代、苯环四取代和苯环五取代,占比分别是39.63%、32.24%和28.13%。脂肪结构主要以亚甲基形式存在,含量达到77.43%,甲基、次甲基含量依次减少,脂肪烃碳链长度较短为0.11。因此,山西高阳焦煤中存在较多的烷基侧链。根据~(13)C CP/MAS-NMR拟合结果,获知甲基碳f_(al)~*_、亚甲基碳/次甲基碳f_(al)~H_、氧接脂碳f_(al)~O、羰基碳/羧基碳f_a~C、芳烃碳f_a′、烷基取代芳碳f_a~S、芳香桥碳f_a~B、氧接芳碳f_a~P分别为0.06、0.06、0.04、0.05、0.76、0.10、0.28、0.03,计算得到芳碳率f_a、脂碳率f_(al)、质子化芳碳f_a~H、非质子化芳碳f_a~N和芳核平均结构尺寸X_b分别为0.81、0.19、0.35、0.41和0.37。XPS和~(13)C CP/MAS-NMR分析结果表明,山西高阳焦煤中羰基、醚氧键和酚羟基等碳氧官能团含量约占碳结构的5%。