基于AFM、SEM与LP-N2GA多尺度联用揭示不同煤阶纳米孔隙形态演化规律及其对煤层气赋存与碳封存的机制启示

本研究针对煤孔隙结构表征中传统方法对形态与表面属性分析的局限性，联合原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）和低压氮气吸附（LP-N2GA）技术，系统解析了从中挥发分烟煤至无烟煤的孔隙演化规律，发现随煤阶升高，表面粗糙度降低、孔隙数量与孔隙率增加、形态趋于圆形化，并揭示了纳米环结构变化与微孔在气体吸附中的关键作用，为煤层气开发与二氧化碳地质封存提供了理论支撑。

　　

煤炭的孔隙结构特征对煤层甲烷吸附与运移、碳封存及深部煤矿安全具有关键影响。尽管传统方法可检测孔隙体积与分布，但在分析孔隙形态与表面性质方面存在局限。本研究采用多尺度技术——原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）和低压氮气吸附（LP-N₂GA），系统分析了从中挥发分烟煤到低挥发分烟煤及无烟煤的煤阶变化对孔隙结构及其演化过程的影响。AFM揭示了纳米孔隙的三维形态与定量参数，SEM观测了中孔与微孔结构，LP-N<₂GA验证了孔径分布。随着煤阶升高，表面粗糙度显著降低，孔隙数量增加，平均孔径减小，孔隙形态从不规则转变为圆形，且孔隙率上升。特别地，纳米环结构数量增多而直径减小，煤阶变化深刻影响纳米环结构的演化趋势，与表面形态变化一致。AFM与LP-N₂GA联用揭示了微孔在气体吸附中的作用。本研究为理解煤阶变化对孔隙结构特性的影响提供了新视角，并为煤层气开发、二氧化碳地质封存、煤基功能材料设计及煤矿安全防控奠定了理论基础。