周星宇，曾凡桂，相建華，鄧小鵬，相興華

（1 太原理工大學(xué)地球科學(xué)與工程系，煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點實驗室，山西太原030024； 2 山西能源學(xué)院，山西太原030604）

引 言

我國煤炭資源占化石資源儲量的90%以上，是應(yīng)用最廣泛的能源之一[1]。近年來，煤炭大規(guī)模直接焚燒引發(fā)的污染問題日趨嚴(yán)重，如何潔凈高效利用煤炭資源已成為學(xué)者們廣泛關(guān)注的問題[2]。煤的用途由其性質(zhì)決定，其性質(zhì)與結(jié)構(gòu)存在相互反映的關(guān)系。因此，科學(xué)合理地理解煤大分子結(jié)構(gòu)特征，有助于深入研究煤的性質(zhì)和用途，從而為煤炭資源潔凈高效利用提供理論支撐[3-7]。

煤是一種短程有序、長程無序的非均一性復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從分子尺度建立煤結(jié)構(gòu)需要借助計算機(jī)軟硬件相結(jié)合等手段來模擬、驗證[8-10]。近年來，隨著建模方法的不斷突破，煤大分子結(jié)構(gòu)由起初的平面結(jié)構(gòu)向逐漸能表現(xiàn)煤性質(zhì)的立體大分子結(jié)構(gòu)發(fā)展[11-13]。學(xué)者們利用所建結(jié)構(gòu)通過AM1半經(jīng)驗量子化學(xué)、巨正則蒙特卡羅、分子力學(xué)及分子動力學(xué)等方法對煤結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)進(jìn)行了不同程度的研究[14-15]。Xiang 等[16]通過對成莊煤大分子結(jié)構(gòu)模擬，發(fā)現(xiàn)高煤級煤分子結(jié)構(gòu)中，芳環(huán)層片的定向排列是煤結(jié)構(gòu)短程有序的主要原因。秦志宏[17]通過FTIR，GC/MS 等測試方法構(gòu)建了更加系統(tǒng)、緊湊的“全煤級煤嵌入結(jié)構(gòu)模型理論”。馮煒等[18]在構(gòu)建并驗證棗泉分子模型的基礎(chǔ)上，用熱解模擬的手段，探究了溫度升高速率對熱解產(chǎn)生CO2氣體的影響。Meng等[19]采用元素分析、X 射線光電子能譜分析、核磁共振碳譜構(gòu)建了趙莊煤結(jié)構(gòu)模型，并用巨正則蒙特卡羅方法模擬了單分子結(jié)構(gòu)對甲烷氣體分子吸附，對趙莊煤炭資源利用有一定指導(dǎo)意義。Gao 等[20]采用ReaxFF 分子動力學(xué)模擬次煙煤熱解過程，探究了次煙煤在熱解早期階段產(chǎn)生的氣體與煤結(jié)構(gòu)中官能團(tuán)之間的關(guān)系。王建國等[21]認(rèn)為，研究低煤級煤的成分和結(jié)構(gòu)特征是實現(xiàn)低煤級煤的清潔高效梯級利用及其合理優(yōu)化利用的關(guān)鍵。這些研究表明，要實現(xiàn)煤炭潔凈高效利用，首先要從分子水平上對煤結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

山西北部大同煤田煤炭資源豐富，以煙煤為主，是我國重要的優(yōu)質(zhì)動力煤生產(chǎn)基地[22]。因此，該區(qū)域煤炭資源的潔凈高效利用十分重要。但目前，尚沒有關(guān)于大同地區(qū)的煤分子結(jié)構(gòu)及其反應(yīng)性質(zhì)的研究。為深入了解大同煤田馬脊梁礦區(qū)煤分子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性，本文從煤的大分子結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，選取大同煤田馬脊梁煙煤（Majiliang bituminous coal,MBC）作為研究對象，手工剝離其鏡煤，首先對其進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析測定，其次結(jié)合13C核磁共振波譜、X 射線光電子能譜和傅里葉變換紅外光譜等分析結(jié)果，構(gòu)建MBC 化學(xué)結(jié)構(gòu)模型。本研究將從分子水平上為大同地區(qū)煤炭資源的潔凈高效利用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 煤樣的制備

樣品采自馬脊梁井田上統(tǒng)太原組(C3t）中的3 號煤層，新鮮煤樣提出地面24 h 內(nèi)，用塑料密封包裝，鉆孔施工完畢經(jīng)物探測井驗證后，封裝送驗。到實驗室后，手選剝離鏡煤，粉碎分別研磨至0.18～0.25 mm、0.075 mm。

1.2 工業(yè)分析和元素分析測試

煤樣的工業(yè)分析按照國家標(biāo)準(zhǔn)《煤的工業(yè)分析方法》（GB/T 212—2008）測定。利用德國EA公司制造的多元元素分析儀測定煤樣中C、H、O（差減法）、N和S的含量。

1.3 核磁共振碳譜測試（13C NMR）

測試選用Varian INOVA300 型超導(dǎo)核磁共振儀，參數(shù)設(shè)定如下：魔角轉(zhuǎn)速為8000 kHz，采樣時間為0.05 s，循環(huán)時間5 s，脈寬4.2 μs，掃描3000～5000次，碳信號檢測的共振頻率為75.43 MHz。采用交叉極化技術(shù)，接觸時間為5 ms，光譜寬度為30000 Hz。

1.4 X射線光電子能譜測試（XPS）

測試選用ESCALAB250 型X 射線光電子能譜儀，參數(shù)設(shè)定如下：起始壓強(qiáng)為10-4kPa，全掃描傳輸能量150 eV，步長0.5 eV；AlKα陽極功率為200 W；窄掃描傳輸能量60 eV，步長0.05 eV；以C1s（284.6 eV）為定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校正。

1.5 傅里葉變換紅外光譜分析測試（FTIR）

測試采用Bio-Rad FTS165 型傅里葉變換紅外光譜儀，將100 mg 溴化鉀放入研缽中。樣品徹底拋光，混合成型后，將模具置于層壓機(jī)上并在真空下加壓至90 kN/cm2，樣品壓制成0.1～1.0 mm 厚的片材，但以5 min 為限。所述片材用樣品框固定，放置在樣品室中進(jìn)行測試。設(shè)置掃描次數(shù)增加到16 次以獲得紅外光譜。

1.6 模擬部分

13C NMR 譜的模擬，采用ACD/CNMR predictor軟件獲取模型中各碳原子的化學(xué)位移，然后導(dǎo)入gNMR軟件，在給定的頻率下獲得13C NMR的計算譜圖[23]。紅外光譜的模擬，采用Materials studio 軟件中的VAMP 模塊對模型進(jìn)行優(yōu)化，對優(yōu)化后的模型用Vibrational analysis 工具進(jìn)行振動頻率的分析，通過給予分析后圖譜一定的半峰寬，獲得模型的計算紅外光譜[24]。密度采用Materials studio 軟件中的Amorphous Cell模塊進(jìn)行模擬。

2 結(jié)果與討論

2.1 工業(yè)分析和元素分析測試結(jié)果

煤樣的C、H、O、N、S含量見表1。由表1可知該煤樣的鏡質(zhì)組反射率為0.74%，碳含 量為81.69%，揮發(fā)分為38.18%，說明本文所選馬脊梁煤樣屬于煙煤。

2.2 13C NMR碳譜測試結(jié)果

實驗測得結(jié)果如圖1所示，可觀察到，從左到右依次有三個明顯的碳信號峰，分別是脂碳峰、芳碳峰、羰基碳峰[25]。

圖1 馬脊梁煙煤的13C NMR譜圖Fig.1 13C NMR spectrum of MBC

使用Origin 軟件，對所測核磁共振碳譜進(jìn)行擬合（圖2），獲得不同碳原子的峰位及其相對百分比[25]。進(jìn)而得到煤樣的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表2所示。

圖2 馬脊梁煙煤13C NMR分峰擬合圖Fig.2 13C NMR peak fitting spectra of MBC

從表2 中，可以計算出MBC 的芳環(huán)橋碳與周碳的比率（稱為橋碳比）XBP，該參數(shù)為fBa與fHa、fPa、fSa三者之和的比值，可用于反映煤在芳香族化合物中的平均縮聚程度[27]。經(jīng)計算MBC的橋碳比為0.24。

2.3 XPS測試結(jié)果

實驗所得N(1s)和S(2p)的XPS光譜中，縱軸代表電子強(qiáng)度，橫軸為電子結(jié)合能。通過Origin 軟件對馬脊梁煙煤的N(1s)光譜進(jìn)行分峰擬合，可以得到四個峰，表明馬脊梁煙煤中有四種形式的氮，分別為：吡啶氮，吡咯氮，季氮和氮氧化物[28]，其峰位的結(jié)合能分別為398.90 eV、400.44 eV、402.01 eV、403.06 eV，結(jié)果見圖3 和表3。由結(jié)果可知，吡啶型氮和吡咯型氮是MBC 分子結(jié)構(gòu)中氮的主要存在方式，所占比例分別為40.48%和44.54%；其次是氮氧化物，其產(chǎn)生主要源于樣品中吡啶型氮和吡咯型氮的氧化，所占比例為8.49%；季氮含量最低，為6.49%。

表2 馬脊梁煙煤的核磁結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters determined by 13C NMR of MBC

圖3 馬脊梁煙煤XPS N(1s)光譜Fig.3 X-Ray photoelectron spectra N(1s)structure of MBC

表3 馬脊梁煙煤的XPS N（1s）數(shù)據(jù)Table 3 X-Ray photoelectron spectra N（1s）data of MBC

煤中的有機(jī)硫主要包括硫醇硫酚、硫化物和二硫化物、噻吩、亞砜和砜等[29]。通過Origin 軟件對MBC 的S(2p)光譜進(jìn)行分峰擬合，可以得到五個峰，表明MBC 中的硫有五種形態(tài)：硫醇硫酚、噻吩型硫、亞砜型硫、砜型硫、無機(jī)硫，其峰位的結(jié)合能分別為163.96 eV、165.83 eV、168.06 eV、169.45 eV、171.06 eV，結(jié)果見圖4和表4。

2.4 FTIR測試結(jié)果

煤的紅外光譜中，波數(shù)為1000～1800 cm-1的區(qū)間不僅是含氧官能團(tuán)，同時還包含CH2和CH3的變形振動和芳香族C====C 的伸縮振動。譜峰擬合的結(jié)果見圖5，其擬合的數(shù)據(jù)結(jié)果見表5。

根據(jù)圖5 的分峰擬合信息和表5 的吸收峰參數(shù)可知，MBC 的含氧官能團(tuán)有醚氧、醇羥基、酚羥基、羰基及其衍生物以及羧基等方式存在[30]。

圖4 馬脊梁煙煤XPS S(2p)光譜Fig.4 X-Ray photoelectron spectra S(2p)structure of MBC

表4 馬脊梁煙煤的XPS S（2p）數(shù)據(jù)Table 4 X-Ray photoelectron spectra S（2p）data of MBC

圖5 馬脊梁煙煤FTIR分峰擬合圖（1000～1800 cm-1）Fig.5 FTIR spectra peak fitting of MBC(1000—1800 cm-1)

2.5 煤大分子結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建及不同煤級結(jié)構(gòu)對比

2.5.1 芳香族結(jié)構(gòu)單元 由2.2 節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，MBC 的芳環(huán)橋碳與周碳之比XBP為0.24，而化合物蒽的橋碳比為0.4，比MBC 大得多。因此，本文在構(gòu)建MBC 的結(jié)構(gòu)模型時，芳環(huán)的個數(shù)最多只考慮3 個環(huán)（蒽）。結(jié)合MBC 的XBP值，確定MBC 結(jié)構(gòu)模型中芳香烴單元結(jié)構(gòu)包括蒽、萘、苯、吡啶和吡咯五種類型，其數(shù)量分別為5、5、4、1 和1，模型的XBP值為0.24，與計算值吻合。由此結(jié)果可以計算得出MBC結(jié)構(gòu)模型中芳香族碳原子總數(shù)為154。

表5 馬脊梁煙煤FTIR吸收峰參數(shù)（1000～1800 cm-1）Table 5 FTIR absorption peak parameters of MBC（1000—1800 cm-1）

2.5.2 脂肪碳結(jié)構(gòu) 由2.5.1節(jié)可知，MBC結(jié)構(gòu)模型中的芳香族碳原子的數(shù)目是154。由表2 可知，MBC 的芳碳率f′a為69.14%，因此可計算出MBC 結(jié)構(gòu)模型的總碳原子個數(shù)以及脂肪碳原子個數(shù)分別為222 和68。由表1 中元素分析數(shù)據(jù)可以求得H/C原子比為0.75，可知模型中氫原子個數(shù)為168 個。由表2 可知，MBC 的脂肪碳中，fHal的含量最多，為12.64%；而f*al的含量為10.05%，低于fHal；fOal的含量最少，為3.07%。由此可知，模型中脂肪碳原子主要是甲基、亞甲基、次甲基和季碳，氧接脂碳含量則最少。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)信息，可以得到模型中脂肪碳原子類型。

2.5.3 雜原子結(jié)構(gòu)的確定 由表1中元素分析數(shù)據(jù)可以得出O/C 原子比為0.1，可知模型中氧原子個數(shù)為22 個。根據(jù)元素分析（表1）、13C NMR 測試分析結(jié)果（表2）和FTIR 分析結(jié)果（圖5、表5），得到MBC結(jié)構(gòu)模型中的氧原子存在于酚羥基、羰基、羧基和醚氧中，個數(shù)分別為9、4、3和3。

由表1 中元素分析數(shù)據(jù)可以得出N/C 原子比為0.01，可知模型中氮原子個數(shù)為2個。XPS測定結(jié)果如圖3 和表3 所示，煤樣中氮以吡咯氮和吡啶氮為主，因此在構(gòu)建模型的過程中，確定氮元素是以一個吡啶和一個吡咯的方式存在。

如圖4 和表4 所示，XPS 測試結(jié)果表明，MBC 中的硫以硫醇硫酚和砜型硫等方式存在。但由于MBC 的硫含量很低，僅有0.73%，并且模型構(gòu)建軟件計算量有限，因此，建模時不予考慮。

2.5.4 大分子結(jié)構(gòu)模型的確定 依據(jù)上述MBC基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析結(jié)果構(gòu)建了MBC大分子結(jié)構(gòu)模型，如圖6所示?；瘜W(xué)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表6所示。

2.5.5 不同煤級大分子結(jié)構(gòu)模型的對比 將本文所構(gòu)建的鏡質(zhì)組反射率為0.73%的馬脊梁煤鏡質(zhì)組結(jié)構(gòu)模型與賈建波等[25]采用相同方法構(gòu)建的鏡質(zhì)組反射率為0.51%的神東煤（Shendong coal，SDC）鏡質(zhì)組結(jié)構(gòu)模型（圖7）進(jìn)行比較。SDC 模型與MBC 模型的芳碳率分別為66.49%與69.37%，芳環(huán)橋碳與周碳之比XBP分別為0.16 與0.24；SDC 模型中芳香結(jié)構(gòu)單元主要為苯與萘；MBC 模型中芳香結(jié)構(gòu)單元除了苯、萘之外，還存在較多數(shù)量的蒽（表7）。SDC 模型與MBC 模型的脂碳率分別為33.51%與30.63%；脂肪碳結(jié)構(gòu)在SDC 模型中主要以脂肪環(huán)的形式存在；MBC 模型中除脂肪環(huán)外，還有較多數(shù)量的甲基、亞甲基以脂肪鏈的形式存在。SDC 模型與MBC 模型的氧含量由16.33%減少到10.96%。顯然的，隨著變質(zhì)程度增加，煤中芳碳率增加，脂碳率降低。兩個模型的結(jié)構(gòu)差異，表明在第一次煤化作用躍變階段，煤大分子結(jié)構(gòu)中由于含氧官能團(tuán)的脫落，形成新的脂肪側(cè)鏈，這可能是類石油物質(zhì)大量形成的前奏[31-32]；該躍變階段同時存在著芳構(gòu)化作用，使煤結(jié)構(gòu)芳香度增加、鏡質(zhì)組反射率增高[33-35]。

表6 馬脊梁煙煤分子結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 6 Structure parameters of MBC molecular structural mode

圖6 馬脊梁煙煤大分子結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Macromolecular structure model of MBC

圖7 神東煤大分子結(jié)構(gòu)模型[25]Fig.7 Macromolecular structure model of SDC[25]

3 模擬與驗證

3.1 13C NMR譜模擬

為了驗證所建結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，將圖6 中的MBC 化學(xué)結(jié)構(gòu)模型用ACD/CNMR predictor 軟件進(jìn)行13C NMR 計算，將計算出的化學(xué)位移導(dǎo)入gNMR軟件中得到模擬譜圖，將計算得到的模擬譜圖與測試譜圖一并導(dǎo)入Origin 進(jìn)行比較（圖8）。計算譜圖與測試譜圖吻合較好，但在羰基碳區(qū)域吻合較差。原因是在核磁共振碳譜的測試中，由于核磁管在探頭里高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的峰會與碳原子信號峰產(chǎn)生疊加，即實驗過程中的邊帶效應(yīng)。該效應(yīng)的存在直接導(dǎo)致實驗譜中的氧碳區(qū)域出現(xiàn)峰值偏高、強(qiáng)度偏大的誤差。因此，在后續(xù)的工作中，有必要進(jìn)一步研究氧碳區(qū)的評價。

表7 馬脊梁煙煤與神東煤結(jié)構(gòu)中芳香結(jié)構(gòu)單元的類型和數(shù)量Table 7 Types and quantities of aromatic structural units of MBC and SDC structure

圖8 馬脊梁煙煤結(jié)構(gòu)模型實驗和計算得到的13C NMR譜圖Fig.8 Experimental and calculated 13C NMR spectra of MBC

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了保證煤分子結(jié)構(gòu)模型更加接近實際儲層狀況，需要用分子力學(xué)和退火動力學(xué)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使煤大分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜勢能面先達(dá)到能量局部極小值，進(jìn)而達(dá)到整個勢能面上的能量最低[36]。分子力學(xué)模擬參數(shù)設(shè)置為：任務(wù)項Geometry optimization，力場選用Dreiding[19]，電荷選擇Charge using QEq。退火動力學(xué)模擬參數(shù)設(shè)置為：任務(wù)項Anneal，任務(wù)關(guān)鍵字選用Medium，對每個溫度段均進(jìn)行NVT 分子動力學(xué)模擬，初始溫度300 K，最高溫度控制在600 K，控溫器為Nose[24,30]，循環(huán)次數(shù)5 次，時間步長為0.001 ps，模擬時間為10 ps，力場、電荷的參數(shù)設(shè)置與分子力學(xué)相同。經(jīng)優(yōu)化后，MBC 最低能量構(gòu)型如圖9 所示，模型整體變得更加緊湊且具有良好的穩(wěn)定性和立體感。

圖9 馬脊梁煙煤結(jié)構(gòu)模型的最低能量幾何構(gòu)型Fig.9 Energy-minimum conformation of MBC coal model

對退火后的構(gòu)型進(jìn)行能量計算。模擬參數(shù)設(shè)置為：任務(wù)項Energy，任務(wù)關(guān)鍵字選用Medium，其余參數(shù)設(shè)置與分子力學(xué)相同。優(yōu)化后模型非成鍵能構(gòu)成情況為：范德華能Evan為2503.24 kJ/mol，庫侖能EE為-70.63 kJ/mol，氫鍵能EH為-9.26 kJ/mol；鍵能構(gòu)成情況為：伸縮能EB為566.55 kJ/mol，鍵角能EA為502.22 kJ/mol，扭轉(zhuǎn)能ET為963.11 kJ/mol，反轉(zhuǎn)能EI為23.58 kJ/mol。由于MBC 分子結(jié)構(gòu)模型中脂肪側(cè)鏈部分較多，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中發(fā)生了大量的扭轉(zhuǎn)，所以在優(yōu)化過后鍵能中扭轉(zhuǎn)能ET最大，而π-π相互作用使得在非成鍵能中范德華能Evan占主要地位。由此可知，范德華能Evan及扭轉(zhuǎn)能ET對于優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和芳香層片的短程有序起著重要作用[16]。

3.3 FTIR模擬

采用Materials studio 軟件中的VAMP 模塊對模型進(jìn)行優(yōu)化，對優(yōu)化后的模型用Vibrational analysis工具進(jìn)行振動頻率的分析，通過給予分析后圖譜一定的半峰寬，得到計算紅外光譜[24]。如圖10 所示，計算得到紅外光譜與實驗光譜對比，峰形能夠很好地吻合，但在某些峰的位置和強(qiáng)度上略有差異。1100～1700 cm-1的差異主要是含氧官能團(tuán)的伸縮振動引起的偏移[36]。峰位置在3000～3600 cm-1的差異主要是氫鍵伸縮振動引起的。氫鍵主要是多個分子的相互作用，而所計算譜圖只是MBC 單個分子的紅外光譜，氫鍵作用則比較弱，所以計算譜圖在這一波數(shù)的峰形比較尖。

圖10 馬脊梁煙煤結(jié)構(gòu)模型實驗和計算得到的FTIR譜圖Fig.10 Experimental and calculated FTIR spectra of MBC model

3.4 密度模擬

采用Materials studio 中的Amorphous Cell 模塊給MBC 模型添加周期性邊界條件并設(shè)置需要模擬的密度，然后對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，直至總能量收斂。模擬的密度區(qū)間選取在0.2～1.44 g/cm3之間。模擬參數(shù)設(shè)置為：任務(wù)項Construction，精度Medium，力場選用Dreiding，電荷選擇Charge using QEq。各參數(shù)設(shè)置好后，在密度欄填入需要模擬的密度進(jìn)行計算[37]。通過不斷改變模擬的密度來獲得對應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)勢能，經(jīng)過統(tǒng)計得到如圖11所示勢能和密度之間的關(guān)系。

圖11 馬脊梁煙煤結(jié)構(gòu)模型密度和勢能的關(guān)系Fig.11 Relationship between total potential energy and density of MBC model

圖12 密度為1.37 g/cm3的馬脊梁煙煤結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型Fig.12 Geometric configuration of MBC coal structure with a density of 1.37 g/cm3

由圖11 結(jié)果可知，隨著密度的增加，MBC 結(jié)構(gòu)模型的勢能逐漸降低；當(dāng)密度達(dá)到1.22 g/cm3時，總能量最低；密度為1.24～1.37 g/cm3時，勢能在不斷波動，密度為1.37 g cm3時波動結(jié)束；當(dāng)密度大于1.37 g/cm3時，結(jié)構(gòu)的勢能急劇增加。馬延平等[38]認(rèn)為，跨越波動后的能量最低點才應(yīng)該是煤在實際地層條件下的密度。因此，把勢能為3643.72 kJ/mol對應(yīng)的密度1.37 g/cm3作為MBC 結(jié)構(gòu)模型的模擬密度。對應(yīng)的幾何構(gòu)型如圖12 所示，其晶胞尺寸為1.573 nm×1.573 nm×1.573 nm。與該煤的密度實測值（1.532 g/cm3）相比，模擬密度偏小。這是因為在密度測試過程中，難以排除樣品中微量元素以及小分子物質(zhì)的影響[39-40]。因此，可以認(rèn)為模擬密度是合理的。

4 結(jié) 論

（1）利用工業(yè)分析、元素分析可以確定馬脊梁煤屬于氧含量較高的煙煤。通過對MBC 的13C 核磁共振波譜、X 射線光電子能譜和傅里葉變換紅外光譜的分析，得到其芳碳率為69.14%，芳環(huán)橋碳與周碳之比為0.24；含氧官能團(tuán)包括酚羥基、羰基、羧基以及少量的醚鍵；氮元素是以吡啶和吡咯的方式存在。

（2）根據(jù)MBC 結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)建了MBC 煤大分子結(jié)構(gòu)模型。模型中，芳環(huán)的類型以2 環(huán)和3 環(huán)為主；脂肪碳原子主要是甲基、亞甲基和次甲基，氧接脂碳含量最少；每個大分子平均含氧原子22 個，氧原子存在于酚羥基、羰基、羧基和醚氧中，個數(shù)分別為9、4、3和3；氮原子以一個吡啶和一個吡咯的方式存在。MBC 煤大分子結(jié)構(gòu)模型的平均分子式C222H168O22N2，分子量為3212。

（3）經(jīng)分子力學(xué)和退火動力學(xué)對MBC 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，模型整體變得更加緊湊且具有良好的穩(wěn)定性和立體感。范德華能Evan及扭轉(zhuǎn)能ET對其穩(wěn)定性和芳香層片的短程有序起著重要的作用。計算得到的FTIR、13C NMR 譜圖與實驗譜圖有著良好的對應(yīng)關(guān)系，模擬得到的密度也與實測密度相對應(yīng)。所建模型能較好地反映MBC的大分子結(jié)構(gòu)特征。

（4）利用所構(gòu)建的分子結(jié)構(gòu)模型，將進(jìn)一步研究MBC 的熱解、吸附等機(jī)理，為大同煤田煤層氣資源的利用及煤炭的清潔、高效利用提供一定的指導(dǎo)。