煤结构与反应性的量子化学研究

论文摘要

量子化学计算方法在煤化学中的应用，已逐步深入到探索煤的结构与反应性之间的关系，逐渐形成了一个新的研究方向。目前量子化学计算方法已经为处理煤结构提供了一种切实可行的研究手段，这种方法的关键在于选择和构建合理的煤结构模型。因此，针对煤的特定属性构建“煤的局部微观结构模型”，可以为煤的结构与反应性研究提供可靠的理论基础。 本文根据上述思路，构建了7个可以采用量子化学计算方法处理的煤局部微观结构模型：描述煤热化学性质的片断结构模型，描述煤UV-Vis吸收特性的稠环芳香化合物结构模型，描述煤表面电位性质的取代稠环芳烃边缘模型，描述煤的气体吸附的片断结构模型，描述煤中氢键的酚羟基自组合苯酚氢键模型，描述溶剂分子抽提作用的固定结构模型和优化结构模型。针对这些模型用量子化学计算的方法阐述了结构与相关性质的关系。在计算过程中，提出了“多点计算，整体平均”的思路，有效地抵消了量子化学计算的起始结构偶然性带来的误差，比较准确地描述了较大的煤模型分子与较小的气体分子之间的作用，比较准确地描述了溶剂对煤中氢键以多种可能微观结构作用的结果。用量子化学密度泛函理论计算方法对煤模型分子的反应动力学进行了深入研究，建立了通过势能扫描计算高效率搜寻过渡态的方法，准确可靠地确定了煤化学中的几个重要反应的化学动力学机理：N-甲基吡咯烷酮和二硫化碳生成N-甲基吡咯烷-2-硫酮的动力学机理，

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 量子化学计算方法及其在煤结构研究中的应用思路
• 1.1.引言
• 1.2.量子化学计算的基本原理和方法
• 1.2.1.Shr（o|¨）dinger方程与基本近似条件
• 1.2.2.自洽场方法
• 1.2.3.从头算法
• 1.2.4.半经验计算方法
• 1.2.5.密度泛函理论
• 1.3.量子化学计算软件
• 2软件概况'>1.3.1.Cerius²软件概况
• 3）'>1.3.2.密度泛函理论计算模块（Dmol³）
• 1.3.3.半经验量子化学计算模块（ZINDO和MOPAC）
• 1.4.量子化学计算应用于煤结构研究的讨论
• 1.4.1.量子化学计算方法应用于煤结构研究的优势
• 1.4.2.量子化学应用于煤结构研究的困难
• 1.4.3.量子化学对煤结构要素的描述
• 1.5.煤的局部微观结构模型与论文的基本立论思想
• 本章参考文献
• 第二章 煤结构静态微观性质
• 2.1.引言
• 2.2.煤模型化合物的热化学
• 2.2.1.模型的选择和建立
• 2.2.2.计算参数的选择
• 2.2.3.稳定性分析
• 2.2.4.燃烧反应的热化学分析
• 2.2.5.本节结论
• 2.3.煤的颜色和紫外-可见光谱
• 2.3.1.煤的颜色与煤结构的关系
• 2.3.2.模型化合物和计算方法
• 2.3.3.渺位缩合稠环芳烃的UV-Vis光谱分析
• 2.3.4.迫位缩合稠环芳烃的UV-Vis光谱分析
• 2.3.5.取代缩合稠环芳烃的UV-Vis光谱分析
• 2.3.6.本节结论
• 本章参考文献
• 第三章 煤的表面电位与表面官能团间的关系
• 3.1.引言
• 3.2.实验与计算
• 3.2.1.仪器和设备
• 3.2.2.样品制备
• 3.2.3.水体系中ζ电位的测定
• 3.2.4.红外光谱测定
• 3.2.5.氢离子吸附模型的构建和吸附能计算
• 3.3.结果与讨论
• 3.3.1.水体系中的ζ电位实验数据分析
• 3.3.2.FTIR谱图分析
• 3.3.3.煤表面电位的微观分析
• 3.4.本章结论
• 本章参考文献
• 第四章 气体与煤表面的作用
• 4.1.引言
• 4.2.气体与煤表面作用模型的构建
• 4.2.1.煤的气体吸附局部微观结构模型的构建和计算方法
• 4.2.2.气体分子的参数
• 4.2.3.气体与煤表面作用模型
• 4.3.气体与煤表面作用的计算
• 4.3.1.计算方法和计算结果
• 4.3.2.Morse函数拟合
• 4.3.3.分析与讨论
• 4.4.本章结论
• 本章参考文献
• 第五章 煤中的氢键与溶剂萃取
• 5.1.引言
• 5.2.煤中的氢键
• 5.2.1.氢键
• 5.2.2.煤大分子中氢键的特点
• 5.2.3.酚羟基自组合氢键模型的构建和计算方法
• 5.3.N-甲基吡咯烷酮与二硫化碳的作用
• 5.3.1.反应模型和计算方法
• 5.3.2.计算结果及反应动力学过程分析
• 5.4.N-甲基吡咯烷酮—二硫化碳溶剂对煤中氢键的影响
• 5.4.1.溶剂对煤中氢键作用的模型的构建
• 5.4.2.固定结构模型的计算
• 5.4.3.优化结构模型的计算
• 5.5.本章结论
• 本章参考文献
• 第六章 煤中氮在热解反应中的转化机理
• 6.1.引言
• 6.2.2-甲基吡啶的热解反应机理
• 6.2.1.2-甲基吡啶的热解反应模型
• 6.2.2.热力学计算和讨论
• 6.2.3.动力学计算和讨论
• 6.3.突变过程的力学描述
• 6.3.1.突变理论
• 6.3.2.2-甲基吡啶热解机理中的分子构型的突变
• 6.4.本章结论
• 本章参考文献
• 第七章 芳香层片的扩展机理和结构缺陷的性质
• 7.1.引言
• 7.2.以苯环为单元的稠环芳烃扩展机理
• 7.2.1.稠环芳烃扩展反应机理的拟定
• 7.2.2.计算方法
• 7.2.3.反应机理主要路径和步骤的确定
• 7.2.4.稠环芳烃的后续扩展过程
• 7.2.5.本节结论
• 7.3.碳纳米管芳香层片结构缺陷的性质
• 7.3.1.碳纳米管的构型
• 7.3.2.碳纳米管芳香层片缺陷的构建
• 7.3.3.氢气分子与碳纳米管芳香层片结构缺陷的吸附能
• 7.3.4.芳香层片缺陷处化学键的变化
• 7.3.5.缺陷周边碳原子的净电荷分布
• 7.3.6.氢气在缺陷碳纳米管轴线上的运动
• 7.3.7.本节结论
• 本章参考文献
• 第八章 总结
• 8.1.主要结果和结论
• 8.2.主要创新点
• 8.3.存在的问题和建议
• 本章参考文献
• 在读期间发表论文和承担科研项目情况
• 致谢
• 论文独创性说明
• 声明
• 关于学位论文使用权的说明