西山煤矸石微观吸附O2特性研究：有机质-矿物协同作用的结构建模与机制解析

针对煤矸石自燃风险防控难题，研究人员通过XRD、13C-NMR和XPS等多尺度表征技术构建有机-矿物复合模型，结合GCMC和MD模拟揭示了O2在弱能区（-14.35至-2.91 kJ/mol）和高能区（-1.67至-0.21 kJ/mol）的吸附规律，发现矿物-有机氢键作用可拓宽吸附能谱，为自燃机理研究提供原子级理论支撑。

　　

煤矸石作为煤炭开采的伴生废弃物，长期堆积不仅侵占土地资源，更因富含有机质和矿物成分而存在显著的自燃风险。这种自燃过程始于氧气（O₂）的物理吸附，继而引发链式化学反应。尽管前人研究多聚焦单一组分模型，但真实煤矸石中有机质与矿物的协同作用机制仍是未解之谜。发表在《Fuel》的这项研究，首次通过多尺度实验与模拟相结合的策略，构建了西山煤矸石的有机-矿物复合模型，系统揭示了O₂吸附的微观调控机制。

研究团队采用元素分析、X射线衍射（XRD）、¹³C核磁共振（¹³C-NMR）和X射线光电子能谱（XPS）确定关键结构参数，通过Materials Studio软件构建复合模型。采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）和分子动力学（MD）模拟，结合COMPASS Ⅱ力场，分析了不同温压条件下O₂的吸附等温线、等量吸附热及能量分布特征。

3.1 煤矸石结构参数分析

XRD显示西山煤矸石以高岭石为主相（占比56.02%），石英为次相。¹³C-NMR谱解析发现芳香桥碳与周边碳比值（X_BP）为0.14，证实芳香结构以苯和萘环为主。XPS揭示氧元素主要赋存于C-O（51%）和C=O（35.18%）形态，氮元素以吡咯氮（35.84%）为主导。

3.2 复合模型构建与验证

基于实验数据构建的C₁₇₀H₁₁₉O₆₉N₃有机分子模型，与高岭石（5×4×1超胞）和石英（5×4×2.3超胞）通过Build Layers工具组装。优化后的复合模型吸附等温线与实验数据趋势一致（R²=0.99），验证了模型的可靠性。

3.3 O₂吸附行为解析

吸附等温线符合Langmuir模型，293.15 K时最大吸附量达27.68 mmol/g。温度升高导致吸附量下降（333.15 K时为10.64 mmol/g），等量吸附热（7.69-11.36 kJ/mol）证实为物理吸附。能量分布显示O₂优先占据-14.35至-2.91 kJ/mol的弱能区，高压下吸附位点利用率提升34%。

3.3.4 吸附构型与能量

低压时O₂在石英表面呈倾斜构型（-9.43 kJ/mol），高压转为平行构型（-5.25 kJ/mol）。温度升高促使O₂向有机质孔隙扩散，333.15 K时吸附能降低至-7.37 kJ/mol。

3.3.5 矿物-有机协同效应

径向分布函数（RDF）分析发现高岭石氢（H_K）与有机氧（O_C）在0.17 nm处形成强氢键，促使O₂在有机区域富集。浓度分布曲线显示优化模型中O₂在有机层的吸附量比控制模型提高21%。

该研究首次阐明煤矸石中矿物-有机界面氢键可拓宽O₂吸附能谱（-14.35至-0.21 kJ/mol），压力调控吸附构型转变，温度驱动分子扩散。这些发现为煤矸石自燃的微观机制提供了新认知，对开发针对性阻燃技术具有重要指导意义。Xuefeng Wang团队的工作突破了传统单一组分研究的局限，建立的复合模型策略可为类似多相体系研究提供范式。