煤表面含氧官能团对矿井气体吸附特性的模拟研究 论文

本研究的标题为《煤表面含氧官能团对矿井气体吸附特性的模拟研究》，文章描述了基于密度泛函理论模拟方法，从原子层次上模拟计算典型矿井气体（如CO、CO2等）对煤表面含氧官能团的吸附行为，并探究了吸附机理。通过模拟研究了不同气体分子在煤表面模型上与常见的含氧官能团结构单元（酚羟基、羧基、羰基、醚键、醇羟基和烷基）的吸附行为，同时通过吸附能、吸附构型、前线轨道等参数的计算分析，揭示了煤与气体吸附强度的关系和吸附强度的顺序。关键词“含氧官能团”、“矿井气体”、“吸附特性”、“模拟”和“吸附强度”涉及了煤的表面化学性质和矿井气体对煤表面的相互作用过程。研究中使用的“密度泛函理论模拟方法”是一种量子化学计算方法，通过计算机模拟可以有效地研究物质在原子和分子水平上的性质。这种模拟方法对于理解复杂体系的电子结构和能量特性至关重要，尤其是对于像煤这样的固体材料表面与气体分子之间相互作用的研究。研究中提到的“吸附能”是衡量气体分子吸附到固体表面时释放或吸收能量的物理量。吸附能的计算可以帮助理解吸附过程的驱动力和稳定性。而“吸附构型”指的是气体分子吸附在固体表面时所采取的空间布局和姿态。这些构型信息对于理解吸附过程和吸附机理至关重要。研究中还提到了“前线轨道”，这是分子轨道理论中的一个重要概念，与分子的化学活性紧密相关。前线轨道理论认为，分子的化学反应性能主要由最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）决定。HOMO的电子易于给出，而LUMO的电子易于接受，因此前线轨道间的能量差影响了分子的反应性和化学稳定性。在吸附研究中，了解前线轨道有助于分析吸附过程中电子的转移和化学键的形成。在研究结果中提到的吸附强度的顺序“羧基 > 醇羟基 > 酚羟基 > 羰基 > 醚键 > 烷基”说明了不同官能团对气体分子的吸附能力具有明显的差异。这种差异来源于官能团的种类、电负性、极性以及分子间相互作用的强弱等因素。了解不同官能团的吸附特性，对于指导煤炭安全开采、洗选、存储和运输等环节中气体的管理和控制具有重要的实践意义。本研究的结论，即不同气体分子对煤表面各含氧官能团的吸附强度顺序，对于预防和控制煤矿中潜在的爆炸和窒息危险提供了重要的理论依据。煤炭开采过程中需要密切监控矿井内的气体成分和浓度，尤其是那些容易被煤表面吸附且吸附能力强的气体，以确保作业人员的安全和矿井的稳定运行。