接触变质作用对煤基石墨烯量子点的影响研究

为研究煤的接触变质作用对煤基石墨烯量子点性质的影响,以形成于深成变质、区域岩浆变质的煤为对比,采用氧化剥离法进行煤基石墨烯量子点的制备,并利用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、荧光光谱（PL）对原煤及制备产物的结构进行分析。实验结果表明,随煤级升高,脱灰煤的结构缺陷减少,芳香片层逐渐增大,晶体结构向有序化方向进行。以煤为碳源制备而成的量子点,粒度均一性良好,并随煤级升高粒径有更大的趋势。碳元素以 C-C/C-H 形式为主,氧主要存在于碳氧官能团中,C∶O≤7∶3,且氧含量随煤级升高而升高。在紫外光（λ=297 nm）的照射下,样品散发蓝色荧光,且在煤级较低时荧光强度较大,并随煤级升高逐渐降低。相较于深成变质、区域岩浆变质形成的煤,接触变质作用形成的煤,产物具有更多的 COO- 结构,而 C=O 键含量降低;荧光强度在煤级较低时的上升趋势更为明显,并在高阶烟煤达到最大;受接触变质作用影响的煤,具有更加规则的石墨化结构。     

接触变质作用对煤基石墨烯量子点的影响研究

为研究煤的接触变质作用对煤基石墨烯量子点性质的影响,以形成于深成变质、区域岩浆变质的煤为对比,采用氧化剥离法进行煤基石墨烯量子点的制备,并利用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、荧光光谱（PL）对原煤及制备产物的结构进行分析。实验结果表明,随煤级升高,脱灰煤的结构缺陷减少,芳香片层逐渐增大,晶体结构向有序化方向进行。以煤为碳源制备而成的量子点,粒度均一性良好,并随煤级升高粒径有更大的趋势。碳元素以 C—C/C—H 形式为主,氧主要存在于碳氧官能团中,C∶O≤7∶3,且氧含量随煤级升高而升高。在紫外光（λ=297 nm）的照射下,样品散发蓝色荧光,且在煤级较低时荧光强度较大,并随煤级升高逐渐降低。相较于深成变质、区域岩浆变质形成的煤,接触变质作用形成的煤,产物具有更多的 COO— 结构,而 C==O 键含量降低;荧光强度在煤级较低时的上升趋势更为明显,并在高阶烟煤达到最大;受接触变质作用影响的煤,具有更加规则的石墨化结构。     

论煤地质学与碳中和

煤基碳排放构成了中国碳排放总量中最重要的部分,做好煤基碳减排和煤炭高效洁净低碳化利用是实现“碳中和”国家目标的重要途径,碳中和背景下的煤地质学发展值得关注。系统评述与碳中和相关的煤地质学研究领域,分析煤地质学在碳中和研究与工程实践中的作用和应用前景,探讨碳中和背景下煤地质学的重要发展方向。取得以下认识:推进清洁煤地质研究、服务煤的高效洁净化燃烧,勘探开发煤系天然气低碳燃料、优化一次能源结构和化石能源结构,开展煤化工资源勘查与开发地质保障研究、推动煤炭的低碳能源转化和新型煤化工产业发展,深化瓦斯地质研究、提高煤矿瓦斯（井下）抽采率、控制煤矿瓦斯的大气排放和泄漏,研究煤层甲烷天然逸散和煤层自燃排放、控制煤层露头的天然排放,发展煤层CO₂地质封存与煤层气强化开发（CO₂-ECBM）技术、推动碳捕获、利用与封存（CCUS）技术发展及其在火力电厂烟气碳减排中的商业化应用,研究煤炭勘查企业的碳足迹、实现企业净零排放,是与煤地质学紧密相关的碳减排技术路径;其中煤层甲烷与煤系气高效勘探开发、深部煤层CO₂-ECBM、煤层露头气体逸散与自燃发火控制、洁净煤地质与煤炭精细勘查是碳中和背景下煤地质学优先发展的重要领域。      

川渝地区煤的石墨化潜势研究

煤及煤系石墨化利用对于增强石墨矿产的战略保障能力、促进煤系矿产资源高效利用和推动煤炭企业转型升级等均具有重要意义。在能源矿产改革转型的关键时期,为了厘清川渝地区煤的石墨化潜势,在梳理分析煤的石墨化、煤基碳材料前驱体选择和川渝地区煤田地质概况的基础上,通过对川渝地区主要赋存煤类、煤质和显微组分特征的分析,从影响煤石墨化的内在因素和煤基碳材料的需求出发,采用主成分分析法探讨了川渝地区煤基碳材料前景和煤系石墨资源赋存潜力。结果表明:研究区煤的显微组分以镜质组为主,低灰、低硫,演化程度更高的无烟煤更易于石墨化,煤石墨化后的产物则是制备碳材料的极佳前驱体;根据主成分分析的定量评价结果,可将川渝地区煤系石墨资源潜力区带划分为Ⅰ级优势区、Ⅱ级良好区和Ⅲ级潜力区。四川雅安?攀西Ⅰ级区带三叠系上统须家河组煤具有变质程度高、低灰、低硫特征,龙门山构造岩浆带是煤石墨化的外在条件,是煤系石墨矿产资源优势赋存区和制备煤基碳材料的优选资源;渝东北Ⅱ级区带和渝东南Ⅱ级区带具有构造条件复杂、煤演化程度高的特点,为煤系石墨资源赋存良好区;南桐松藻Ⅲ级区带和四川芙蓉?古叙Ⅲ级区带则为煤系石墨资源的潜力区。煤系石墨的潜力研究是能源矿产由粗放型利用向高端新型材料精细化应用转变的重要桥梁,为实现煤炭资源高价值、绿色开发利用提供了指导方向。      

海草床食物链有机碳传递过程的研究进展

海草床是重要的近海生态系统,生产力极高,可为海洋动物提供良好的栖息地和丰富的有机碳食源;人类活动引起近岸海域的富营养化,可能会改变海草床有机碳源组成和性质,进而影响植食动物和次级消费者的摄食过程及其食物链能量传递效率,从而影响海草床的生物资源产出功能。归纳总结了国内外海草床食物链碳传递过程各方面的研究进展,主要包括:①海草床有机碳源组成及食源贡献;②海草床初级消费者对有机碳源的摄食;③海草床食物网营养级结构及其能量传递;④富营养化对海草床有机碳源组分结构及其成分的影响;⑤海草床食物链能量传递效率对富营养化的响应。在此基础上,提出了未来的研究重点:①联合运用总有机物的稳定同位素比值法、脂肪酸标志法和特定化合物稳定同位素分析方法,加强定量研究海草床各有机碳源的贡献、食物网营养结构图谱、关键碳流途径及其季节性变化规律;探究关键消费者成体和幼体的有机碳源差异,弄清生长阶段的食性转化过程。②结合野外观测、原位围隔实验和室内模拟实验,深入探讨富营养化对海草床有机碳源组成(海草与附生藻类等)及其化学成分(营养质量和次生化合物)的影响,海草等初级生产者成分变化对植食动物和次级消费者摄食过程的影响,以及牧食食物链和碎屑食物链的组成和碳传递效率等的响应机制。     

废弃蒙脱石制备N、S共掺杂类石墨烯碳纳米材料

近年来,以有机-无机模板法制备碳材料的研究备受关注。通常以聚合物为碳源、矿物为模板,在惰性气体保护下碳化,然后去掉模板,释放矿物模板中的碳材料。由于不同矿物模板的结构各异,从而能够制备出具有不同结构特征的碳材料,如一维的碳纳米纤维(Fernandez-Saavedra et al.,2004)、二维的类石墨烯材料(Xu et al.,2013)和三维的多孔碳(Liu et al.,2013)。蒙脱石由于其化学惰性硅氧烷表面和可膨胀层间域结构,常被用作制备类石墨烯碳材料的理想模板。另一方面,蒙脱石作为一种高效廉价、环境友好的吸附剂,能被广泛应用于环境修复领域,特别是用于染料废水的处理。但要实现蒙脱石在染料废水中的推广应用,还需要解决吸附染料后废弃蒙脱石的处理处置问题。前期研究发现,在氮气气氛中碳化吸附结晶紫后的废弃蒙脱石,成功制备了碳单层-蒙脱石纳米复合材料,为废弃蒙脱石的回收利用提供了一种切实可行的方法(Chen et al.,2014;Zhu et al.,2015)。此外,阳离子染料通常含有除C和H以外的其他元素,如N、S等,这些异质原子可能会进入碳材料的晶格,从而影响碳材料的结构和性质。因此,模板制备法也许能作为制备异质原子掺杂型碳材料和回收利用废弃蒙脱石的有效手段。本研究以吸附阳离子染料亚甲基蓝(MB)后的废弃蒙脱石为前驱体,通过无氧碳化、交替酸洗来制备N、S共掺杂类石墨烯碳纳米材料,并采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)等方法对所得材料结构和组成进行分析,并对其电催化性能进行表征,重点研究了碳化温度对所得类石墨烯材料结构和性能的影响。实验结果表明,吸附MB后蒙脱石的层间距增至19.1,碳化后层间域高度随温度升高逐渐减小至4.4,略大于单层石墨烯厚度3.4,这是因为半径较大的S原子不能很好地适应sp2杂化碳网导致其略微突出二维平面造成的。所得碳材料的TEM图谱呈现高度透明的薄膜形貌,AFM图谱呈现出较光滑的表面和锯齿状的边缘,对应的高度图显示该碳片层厚度约为40,说明所得碳材料由十多层石墨烯单层堆叠而成。XPS结果显示,碳材料中同时含有C、N、S三种元素,且N主要以吡啶N、吡咯N和石墨N三种形式掺杂进入石墨烯结构中,S以噻吩S的形式存在。电化学测试结果表明,所制备的N、S共掺杂类石墨烯材料具有较好的氧还原反应催化性能和稳定性,有望用作燃料电池的阴极电催化剂。上述研究结果不仅为废弃蒙脱石的资源化回用提供了新途径,而且为异质原子掺杂类石墨烯碳材料的制备提供了新方法。     

发展中的中国煤田地质学

中国的煤和煤田地质特征具有鲜明的地域特色和独特的地质问题。煤炭是中国主要的一次能源。本文概要评述了近年来我国煤田地质学科的显著进展，认为未来的发展将取决于，引入新理论、新方法和广泛应用高新技术，强化与其他一些地学分支的交叉和渗透，今后将更突出研究煤的地球化学、支撑洁净煤技术和煤基材料利用技术的地质基础、煤层气，和高产、高效、安全开采煤炭生产的地质保障体系。     

煤地质学研究新进展及其前景展望——基于International Journal of Coal Geology 2016~2020年文献统计

煤地质学是应用地质学与地球化学的理论和方法研究煤层、煤系及其共伴生矿产资源的物质组成、成因、物理和化学性质及其空间展布规律等的学科。在国家倡导生态文明绿色发展以及2030年前实现碳达峰的战略目标背景下,煤地质学的研究重点也在逐渐发生变化。通过对2016~2020年在International Journal of Coal Geology期刊上发表的文章进行统计分析,阐述了中国煤地质学的发展进程,重点探讨了煤地质学当前的研究热点内容,提出了煤地质学未来可能的发展方向。结果发现:中国学者在该期刊上发表论文数量最多,占27.4%,其次为美国和澳大利亚;按第一作者所属单位依次为中国矿业大学(北京)、昆士兰大学和中国地质大学(北京);按研究方向,煤岩学和有机地球化学方向的论文数量最多,占31.3%,是近5年的研究热点;其次是煤中矿物质、微量元素与地球化学和煤系气方向;预测未来煤炭洁净化利用方向的研究将逐渐增多,与煤地质学相关的交叉学科也将快速发展。     

氧化石墨烯对环境污染物的吸附行为及吸附机理

氧化石墨烯具有相对较大的表面积,其表面存在的丰富的含氧官能团使其具有良好的亲水性,能稳定地分散在水溶液中,是一种潜在的优质吸附剂。现有研究表明,氧化石墨烯对重金属及阳离子染料废水的处理效果明显优于广泛应用的传统吸附剂,然而由于其自身结构缺陷的原因,其应用还受到很多局限。介绍了氧化石墨烯的制备和结构,并重点针对氧化石墨烯及其复合材料对重金属离子和有机污染物的吸附行为、吸附机理、吸附模型及吸附影响条件等进行了综述,最后对氧化石墨烯及其复合材料在吸附方向的研究和应用前景进行了展望。     

黔东南铝土矿含矿岩系镁铝铁结构及地球化学特征

黔东南铝土矿赋存于下二叠统梁山组,其含矿岩系具有沉积型铝土矿典型的"煤-铝-铁结构",即下部发育铝质页岩夹菱铁矿结核,中部由含铝岩组夹多层豆状或土状铝土矿组成,上部由碳质页岩、砂岩夹煤层组成。沉积环境为海陆交互相-滨海边缘沼泽相,具有稳定的构造背景。通过含矿岩系物质组成结构分析和元素地球化学研究认为:"煤-铝-铁结构"在铝土矿中的普遍出现,是沉积型铝土矿在矿化过程中物理化学环境多变导致的深度去硅去铁作用,加之外部环境提供充足的有机质物质来源,从而形成的非偶然结果。因此,含矿岩系的分层结构形成过程中的物理化学变化所导致的多种地质异常可作为找矿实践中的成矿标志。     

我国煤系石墨研究及资源开发利用前景

煤系石墨属于特殊的非典型晶质矿物,多为隐晶质石墨,既是石墨矿产的重要组成部分,也是煤系综合矿产的一种。煤系石墨与煤层为同层异矿,煤向石墨演化的实质在元素组成上表现为富碳、去氢和脱氧,在分子结构上表现为有序化增强和石墨晶体结构的逐渐形成。煤岩组分、岩浆热和地质构造等均对煤成石墨化作用具有重要的影响,在多因素综合作用下,煤系石墨成矿常表现出差异石墨化特征。从煤系石墨成矿机理入手,提出了以化学组成参数为基础指标,以结构参数为精确指标的煤系石墨鉴别指标体系;从资源评价需求出发,将不同演化程度的煤系石墨划分为Ⅰ级（石墨）、Ⅱ级（半石墨）和Ⅲ级（石墨化无烟煤）等3类。煤系石墨的形成与岩浆活动和挤压性构造环境密切相关,受区域性构造-岩浆带控制,煤系石墨分布具有方向性、递变性、集中成带的特点,成矿区带呈现出“一纵三横”的分布特点,划分为滨太平洋成矿域、南岭成矿域、秦岭-大别山成矿域和阴山-燕山成矿域和9个成矿带。分析了我国煤系石墨资源现状,指出由于我国煤炭资源丰富和赋煤区构造-热叠加作用显著,煤系石墨资源潜力巨大。煤系石墨开发利用对于增强石墨矿产的战略保障能力、促进煤系矿产资源合理开发利用和推动煤炭企业转型升级等均具有重要意义。分析了当前煤系石墨矿产资源开发利用方面存在的问题,提出了相应的政策建议。      

双碳背景下我国煤炭资源勘查开发布局研究

随着双碳背景下国家能源结构调整和生态文明建设的要求,本文从保障国家主体能源安全和优化煤炭资源勘查开发布局的角度考虑,阐述了中国煤炭资源分布特点及勘查开发现状;从坚持集约与协调发展、改革与创新发展、绿色与清洁发展的基本原则出发,分析了新时期煤炭资源勘查目标：加强大型煤炭基地资源勘查、推进新增煤层气资源储量、加快煤系矿产资源勘查;从资源禀赋、开发强度、市场区位、环境容量、输送通道等方面出发,阐述了14个大型煤炭基地开发布局方向及建设规模,同时要加快煤层气的开发利用。研究成果对未来一段时期煤炭资源勘查开发及煤炭工业高质量发展具有重要的指导意义。     

煤地质学研究进展与前沿

煤地质学是以煤的形成、组成、煤系伴生矿产、煤层瓦斯和煤层气为主要研究内容的地质学分支。近年来随着我国和世界对煤炭资源安全开采、洁净利用的要求逐渐提高,煤及煤层气资源的勘探与开发,煤地质学的研究重点也在逐渐发生变化。通过分析2011-2015年《国际煤地质学》杂志发表的717篇学术论文,总结了近期煤地质学最新的研究热点与前沿。研究发现:煤层气资源评价以及与煤层气开发关系最为紧密的煤储层物性研究是各国煤地质科技工作者最为关注的热点;煤中的矿物质和元素地球化学一直为人们所重视;与煤的形成、开采和利用相关的煤岩学及有机地球化学,煤的自燃、燃烧与环境,沉积环境与煤炭演化,地理信息系统与矿区环境监测,矿井瓦斯,矿井构造,矿井水和煤的热解等方面的研究一直在持续开展;页岩气资源评价与开发越来越受到人们重视。      

神府南部矿区低阶煤化学组成与工艺性质:特征、关系与实践

煤炭分质利用是契合其高效、清洁与绿色发展趋势的必然途径,而了解煤的基本化学组成与关键工艺性质是实现煤炭资源分级分质利用的基础。陕西神府南部矿区煤炭储量丰富,是西部重要的低阶煤生产基地,但长期以来未能完全实现煤的最佳分质利用,制约着优质煤炭资源价值优势的充分发挥以及经济与社会效益的进一步提升。以此为背景,以神府南部矿区主要生产矿井低阶煤样品为研究对象,开展煤的化学组成与工艺性质测试,化学组成包括工业组分、主量元素、全硫与形态硫、有害元素P及煤灰成分等,工艺性质包括发热量、低温干馏、热稳定性与煤灰熔融性等方面。基于数量化分析方法揭示煤的化学组成与工艺性质特征及其内在关系,构建基于化学组成的工艺性质预测数学模型,为煤炭分级分质利用提供基础依据。结果显示:①研究区低阶煤资源以特低灰、特低硫、特低磷、高-特高发热量、富油、高热稳定性、弱-无黏结性为特点,品质优良,具有显著的分质利用优势,尤其广泛分布的富油煤应予以高度重视;②煤的工艺性质与化学组成之间存在密切成因联系,发热量与固定碳含量呈正相关,低温干馏焦油产率与挥发分产率、氢元素含量呈正相关,水分含量决定低温干馏总水分产率,且在特定煤类条件下,灰分产率是控制煤诸多工艺性质的关键因素,包括发热量、黏结性、焦油产率等,均呈负相关性;③基于逐步回归分析与显著性检验,建立了基于化学组成预测煤关键工艺性质的数学模型,并以张家峁矿为例,利用所建模型预测低温干馏焦油产率和富油煤分布,预测结果与实测数据相符,验证了模型的可靠性。建立的预测模型为利用早期地质勘查资料评价煤的关键工艺性质,尤其富油煤分布提供了可行途径。研究成果对丰富陆相盆地低阶煤物质组成与化学性质基础认识,刻画其内在关联属性与量化模型具有重要参考价值,可为神府南部矿区以及其他类似地区优质煤炭资源（富油煤）的科学评价与最佳利用提供参考依据。      

面向21世纪的煤化工

煤炭是中国的主要能源和资源，但同时也是主要的污染源。从保护环境、合理利用有限的化石资源的角度和中国的具体国情考虑，应该大力开发温和化高效煤的新工艺，使煤炭资源逐步由能源型利用转化为材料型利用，近年来，我们在煤的溶剂萃取，脱硫降灰机理，煤相关模型化合物反应，煤焦油中稠环芳香族化合物的分离精制，功能性高分子单体合成及一氧化碳高效吸附剂的制备等方面做了大量的研究工作，结合这些研究工作，本文介绍了煤化工的     

河南省主要煤田煤炭资源清洁利用潜势

为了系统分析河南省各煤田煤中灰分和主要有害元素分布特征，评价煤炭资源清洁利用潜势，通过系统收集12个煤田的煤质资料，并均匀采样作化验分析，获得各煤田煤中灰分和10种有害元素的平均含量，利用广义对比加权标度指数法计算出煤炭资源洁净潜势综合指数I值，评价煤炭资源清洁利用潜势，得出河南省煤炭资源清洁质量从西向东依次为不洁净-较不洁净-较洁净煤这一逐渐变好的趋势，影响煤炭资源洁净潜势评价的主要因子为灰分和硒元素。最后，统计了12个煤田各清洁等级的煤炭资源量:较洁净煤235亿t、较不洁净煤30亿t、不洁净煤5亿t，并探讨其利用方式。研究成果对河南省煤炭资源的清洁、高效利用具有指导意义。      

能源地下结构研究及应用进展

能源地下结构是将热交换管埋设在建筑基础构件和地下结构物中,兼具承载及换热功能的结构形式,在有效节省宝贵且不可逆的地下空间资源的同时,还能充分利用非碳基的连续稳定、安全清洁的地热能资源,这比传统的地源热泵更具优势。系统总结了能源地下结构的概念、优势、国内外研究及应用进展,重点阐述了能源隧道、能源桩(能源锚杆)、能源地下连续墙和能源综合管廊4种目前常见能源地下结构的现状。将地源热泵系统与煤矿巷道等矿区建设相结合,既能够对地热能资源进行综合利用,还可有效解决传统深部采矿掘进作业时的高温热害及寒区煤矿巷道的保温防冻难题,具有环保、低碳、节能、高效的显著优势,是实现绿色矿井建设及碳达峰碳中和目标的有效途径,可产生显著的经济效益、环境效益和社会效益。然而,现有能源地下结构的研究模型均有其适用性和局限性、研究结果与实际工况存在较大偏差、能源地下连续墙和能源综合管廊研究较少等是当前存在的主要问题,对于能源地下结构的研究工作应结合工程实际情况,并尽可能考虑所有因素对结构工程的影响,以期提升研究成果的精度和水平;此外,对煤矿巷道等矿区建设中运用能源地下结构的可行性和前景进行了探讨,在能源地下结构的基础上,进一步综合太阳能、风能等非碳基清洁能源构建复合能源利用系统也是值得尝试的思路;同时,还对能源地下结构在抗(减)震、抗爆和防火等方面的防灾减灾设计给出建议,可为能源地下结构及其在绿色矿井建设方面的研究、应用与发展提供参考。