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褐煤结构的分子动力学模拟及量子化学研究

王三跃  
【摘要】:以分子力学、分子动力学及量子化学为基础的计算机分子模拟,从三维立体的角度建立和模拟煤大分子结构,将深化对煤大分子结构特征的认识,定量了解煤大分子结构特征与煤的各种性质的关系,使煤的结构化学研究进入一新的高度。 本文运用煤结构的傅立叶红外光谱(FTIR)和固体核磁共振碳谱(~(13)C NMR)测试方法所得的结果,经过谱图分峰、分析,计算出若干表征煤大分子结构参数,并综合前人的经验和共识,利用计算机分子绘图软件系统构建了表征两种褐煤(霍林河原煤和义马原煤)的化学结构模型(Wiser model),在Cerius~2 4.6/IR模块中计算了分子振动红外光谱,同时结合碳谱所计算的分子结构参数拟合、修正了该结构模型,得到了能表征这两种煤样的分子结构模型,作为用分子动力学模拟和量子化学计算的初始结构模型。用分子力场和分子动力学模拟方法得出最优构型 太原理工大学硕士研究生学位论文 及在此构型下的势能、键合作用和非键合作用能等能量参数, 并进行了对比,发现在煤的大分子结构中起主要作用的是非键 合作用的范德华和氢键作用能。而且氢键随大分子结构的数目 的增加,其作用明显加强,长程作用更长的库仑力变化不明显。 对上述分子力场优化后的分子模型,采用Cerius“材料模拟 软件ZINDO半经验量子力学方法,计算和分析了模型分子的静 态几何构型、原子净电荷分布、键长、最高被占据轨道(HOMO) 和最低未占据轨道(LUMO)等电子结构性质,研究了激发态 的相关性质。从键长的分析中得出含氧键中以碳基中的碳氧双 键最为稳定,醚键和苯甲氧基中与烷基链相连的碳氧键最为不 稳定;从原子上的净电荷分布来看,边缘C原子易于发生氧化 反应;对最高被占据轨道(HOMO)和最低未占据轨道(LUMO) 分析知道处在单双键交替的位置上的原子,没有处于共扼体系 的芳环上的C原子稳定,这可以用来对于催化剂在煤的加氢液 化中所起的作用做出理论解释和预测发生反应的位置。还分析 和预测了模型分子的紫外/可见光谱(UV乃西s),与实际相符。


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