阴离子调控燃煤黑碳生成及磁性黑碳形成机制的量子化学与同步辐射研究

燃煤过程中阴离子如何影响黑碳(BC)生成？中国研究人员通过模拟燃烧实验结合量子化学计算和同步辐射分析，发现酸性阴离子(如SO42?)会腐蚀BC表面形成多孔结构并抑制产量，而碱性阴离子(如OH?)促进BC生成，首次阐明Fe2O3通过Fe–C键吸附BC并还原为Fe3O4形成磁性黑碳(MBC)的三步机制，为控制燃煤污染提供理论依据。

　　

燃煤作为工业活动的主要能源，其不完全燃烧产生的黑碳(BC)不仅是大气污染的重要组分，更会深入呼吸道引发哮喘、心血管疾病，甚至通过冰川沉积加速全球变暖。尽管前人研究聚焦于BC的溯源和健康影响，但煤中复杂的阴离子成分如何调控BC生成仍属空白。更棘手的是，当铁盐参与燃烧时形成的磁性黑碳(MBC)兼具污染特性和生态风险，其形成机制尚未阐明。这些科学盲点严重阻碍了燃煤污染的精准防控。

中国矿业大学的研究团队在《Chemosphere》发表的研究，通过模拟燃烧实验结合密度泛函理论(DFT)计算和同步辐射X射线吸收精细结构(XAFS)分析，首次系统揭示了阴离子对BC形貌与产量的调控规律，并破解了MBC的形成密码。研究人员采用酸洗纯化煤基质，分别添加含Cl^?、SO₄^2?、NO₃^?等阴离子的铁盐进行控氧燃烧实验，通过产物理化性质对比和分子层面模拟，结合上海光源的同步辐射技术追踪铁元素化学态演变。

材料与方法
研究选用徐州阚山电厂原煤(RC)，经HF-HCl-HNO₃三步酸洗获得纯净煤基质(WC)。通过掺杂FeCl₂、FeSO₄等铁盐构建不同阴离子环境，在管式炉中模拟1200℃贫氧燃烧。采用ICP-MS测定元素含量，借助N₂吸附和SEM分析BC孔隙结构与形貌，运用DFT计算Fe₂O₃与BC的吸附能，并通过XAFS解析铁物种的配位环境。

阴离子对燃烧产物的影响
实验发现含硫组中BC产量最低(34-38%)，因SO₄^2?高温释放SO₂腐蚀BC表面形成蜂窝状结构。DFT证实酸性气体会攻击碳六元环中的C=C键，导致边缘缺陷位点增加。而OH^?组BC产量提升12%，因其碱性环境抑制了碳骨架解离。有趣的是，相同Cl^?在FeCl₂中使BC减产，但在FeCl₃中却促进生成，揭示载体性质的关键作用。

磁性黑碳形成机制
XAFS谱图捕捉到铁物种从Fe²⁺→Fe₂O₃→Fe₃O₄的演变路径：首先铁盐在600℃释放阴离子并氧化为α-Fe₂O₃；当温度升至800℃时，BC大量生成并与Fe₂O₃通过Fe–O–C键合；持续高温下部分Fe³⁺被BC还原，最终在1200℃形成反尖晶石结构的Fe₃O₄。DFT计算显示Fe–C键形成需克服2.3eV能垒，而Fe₂O₃(001)晶面对BC的吸附能达?1.58eV。

这项研究不仅建立了阴离子类型-BC特性关联模型，更首次从原子尺度解析MBC的"氧化-吸附-还原"三步形成机制。理论层面，揭示了阴离子载体效应和铁碳界面反应规律；应用层面，为燃煤电厂通过调控阴离子组成降低BC排放提供新思路，同时为环境磁学中MBC的溯源研究奠定分子基础。该成果对实现"双碳"目标下的清洁燃煤技术开发具有重要指导价值。