褐煤多尺度三维分子结构模型的构建与验证：从分子模拟到高效清洁利用的理论支撑

针对褐煤高效清洁利用中分子结构不明确的瓶颈问题，研究人员以BYH褐煤为对象，通过元素分析、XPS、XRD、FT-IR和固态13C NMR等多技术联用，构建了C160H131O56N3三维分子模型，经Materials Studio优化验证后，为褐煤浮选剂设计和热解模拟提供了精准理论模型。

　　

在全球能源结构转型背景下，褐煤作为储量丰富但利用率低的低阶煤种，其高水分（20%-60%）、高氧含量（15%-30%）及复杂含氧官能团（如羧基、酚羟基和醚键）导致直接燃烧效率低下、污染排放严重。尽管传统干燥、热解等技术可部分改善其利用效率，但分子结构认知的不足使工艺优化长期依赖经验试错，制约了清洁利用技术的突破。这一困境的核心在于缺乏精确的褐煤分子模型——这正是分子模拟应用于浮选剂设计、热解机理研究的前提。

针对这一挑战，辽宁工程技术大学的研究团队以BYH褐煤为研究对象，在《Journal of Molecular Structure》发表了一项开创性工作。研究通过元素分析、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和固态¹³C核磁共振(NMR)等多维表征技术，首次构建了化学式为C₁₆₀H₁₃₁O₅₆N₃的褐煤三维分子模型。该模型不仅通过模拟光谱与实验数据的匹配验证了准确性，更通过Materials Studio软件进行几何优化和模拟退火，获得了稳定的三维构型，为褐煤的高值化利用提供了原子尺度的理论工具。

关键技术方法包括：1) 采用HF-HCl混合酸对200目筛分BYH褐煤脱矿处理；2) 联合XPS解析表面元素化学态，发现氮以吡咯型为主；3) 通过¹³C NMR确定芳香环以四取代/五取代为主，桥头碳占比0.2523；4) 基于Materials Studio进行分子动力学优化和密度计算。

【Sample Preparation】
研究采用HCl-HF分步酸洗法去除灰分，确保后续表征仅反映有机结构特征。XPS分析显示样品表面碳、氧浓度显著而硫含量极低，与元素分析一致。

【X-ray Photoelectron Spectroscopy Analysis】
XPS谱图中C1s和O1s峰显著，证实褐煤富含含氧官能团。分峰拟合揭示氧主要存在于酚羟基和醚键，氮则以吡咯型为主导，这一发现为后续分子构建提供了关键约束条件。

【Conclusions】
最终建立的模型具有三大创新点：1) 首次量化了BYH褐煤的桥头碳/周边碳比；2) 明确了芳香环取代模式及含氮杂环类型；3) 通过静电势计算揭示了表面活性位点分布。密度计算值与实测值的高度吻合（误差<3%）证明了模型的物理合理性。该成果不仅为褐煤热解产物预测提供了计算基础，更通过表面静电势图谱指导了高效浮选剂的设计——例如针对酚羟基富集区域开发特异性吸附剂。

讨论部分强调，该模型突破了传统煤结构研究限于二维平面的局限，首次实现了从原子坐标到宏观物性的跨尺度关联。例如，芳香环稠合度的精确描述可解释褐煤热解焦油产率低的现象：高度交联的骨架结构阻碍了焦油前驱体的逸出。这一认识为开发抑制交联反应的催化剂提供了新思路。此外，模型揭示的醚键分布规律为定向裂解氧桥键的催化剂设计提供了靶点。

这项研究标志着褐煤研究从经验摸索向理性设计的范式转变。正如作者指出，该模型可拓展应用于煤基碳材料设计、CO₂封存机理研究等领域，其方法论对页岩有机质等复杂天然产物的结构解析也具有借鉴意义。国家自然科学基金和辽宁省教育厅基金的联合资助，体现了该研究在能源战略中的核心价值。