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低阶煤表面含氧官能团的x射线光电子能谱研究

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X射线光电子能谱

X射线光电子能谱

光电子 (e-)
X射线 (h)
与电子所在壳层的平均半径r，入射光子的频率和受激原子的原子序数Z有关。 一般来说，在入射光子的能量一定的情况下： 1、同一原子中半径越小的壳层，光电效应截面越大；电子结合能与入射光子的 能量越接近，光电效应截面越大。 2、不同原子中同一壳层的电子，原子序数越大，光电效应截面越大。
h A A*, e
光电子 (e-)
X射线 (h)
在某些情况下，还会引起俄歇电子的发 射。（为什么？）俄歇电子发射对于材 料的结构分析很有用处。
X射线光电子能谱分析的基本原理
1、光电效应（光致发射或者光电离）：
当光子与材料相互作用时，从原子中各 个能级发射出的光电子的数目是不同的， 有一定的几率。光电效应的几率用光电 截面表示，定义为某能级的电子对入 射光子的有效能量转移面积，或者一定 能量的光子从某个能级激发出一个光电 子的几率。
Eb h Ek
对于固体材料，电子的结合能定义为把电子从所在的能级转移到费米能级（0K 时固体能带中充满电子的最高能级）所需要的能量。另外，固体中电子从费米能 级跃迁到自由电子能级（真空能级）所需要的能量成为逸出功，即功函数。所以， 入射光子的能量h分为三部分：电子结合能Eb，逸出功Ws，自由电子的动能Ek。 所以：
另外，原子中的电子既有轨道运动又有自旋运动。它们之间存在着耦合（电磁相
互）作用，使得能级发生分裂。对于 >0的内壳层，这种分裂可以用内量子数j来
表示。其数值为：
j
l ms
l
1 2
所以：对于 ＝0，j＝1/2。对于 >0，则j＝ ＋½或者 －½。也就是说，除了s能 级不发生分裂外，其他能级均分裂为两个能级：在XPS谱图中出现双峰。

x射线光电子能谱

x射线光电子能谱

x射线光电子能谱X射线光电子能谱技术（XPS）是电子材料与元器件显微分析中的一种先进分析技术，而且是和俄歇电子能谱技术（AES）常常配合使用的分析技术。

由于它可以比俄歇电子能谱技术更准确地测量原子的内层电子束缚能及其化学位移，所以它不但为化学研究提供分子结构和原子价态方面的信息，还能为电子材料研究提供各种化合物的元素组成和含量、化学状态、分子结构、化学键方面的信息。

它在分析电子材料时，不但可提供总体方面的化学信息，还能给出表面、微小区域和深度分布方面的信息.另外因为入射到样品表面的X射线束是一种光子束,所以对样品的破坏性非常小。

这一点对分析有机材料和高分子材料非常有利。

以X射线为激发光源的光电子能谱，简称XPS或ESCA处于原子内壳层的电子结合能较高,要把它打出来需要能量较高的光子,以镁或铝作为阳极材料的X射线源得到的光子能量分别为1253.6电子伏和1486.6电子伏，此范围内的光子能量足以把不太重的原子的1s电子打出来。

周期表上第二周期中原子的1s电子的XPS谱线见图1。

结合能值各不相同，而且各元素之间相差很大，容易识别（从锂的55电子伏增加到氟的694电子伏），因此,通过考查1s的结合能可以鉴定样品的化学元素。

除了不同元素的同一内壳层电子（inner shell electron）（如1s电子）的结合能各有不同的值而外，给定原子的某给定内壳层电子的结合能还与该原子的化学结合状态及其化学环境有关，随着该原子所在分子的不同，该给定内壳层电子的光电子峰会有位移，称为化学位移（chemical shift）。

这是由于内壳层电子的结合能除主要决定于原子核电荷而外，还受周围价电子的影响。

电负性比该原子大的原子趋向于把该原子的价电子拉向近旁，使该原子核同其1s 电子结合牢固，从而增加结合能。

如三氟乙酸乙酯CF3COOC2H5中的四个碳原子分别处于四种不同的化学环境，同四种具有不同电负性的原子结合。

由于氟的电负性最大,CF键中碳原子的C(1s)结合能最高（图2）。

含氧官能团boehm滴定_理论说明

含氧官能团boehm滴定_理论说明

含氧官能团boehm滴定理论说明1. 引言1.1 概述含氧官能团boehm滴定是一种常用的分析方法，用于表征材料表面的含氧官能团含量。

随着表面化学研究的发展，对材料表面性质的准确描述和理解变得越来越重要。

含氧官能团是材料中极为常见的一类功能基团，它们在材料的性质和应用方面扮演着重要角色。

因此，了解材料表面含氧官能团含量及其分布情况十分关键。

1.2 文章结构本文将从以下几个方面对含氧官能团boehm滴定进行理论说明。

首先，在第2部分将详细介绍含氧官能团boehm滴定的概念、原理以及操作步骤；接下来，在第3部分将探讨Boehm滴定在表面化学研究中的应用，并介绍一些利用该方法评估各类碳材料表面含氧官能团含量差异性的案例；然后，在第4部分将通过经典实验与案例阐述Boehm滴定理论描述的局限性，并提出可能的解决思路；最后，在第5部分总结全文的主要观点和论点。

1.3 目的本篇文章旨在提供对含氧官能团boehm滴定理论说明的全面解析，包括其原理、操作步骤、应用领域以及存在的局限性和发展方向。

通过深入研究这一方法，可以增进对材料表面含氧官能团含量表征的认识，为表面化学研究提供进一步的指导，并为相关领域的科学家和研究人员提供参考。

2. 含氧官能团boehm滴定理论说明2.1 含氧官能团概述含氧官能团是化合物分子中的一种结构，通常与氧原子相关联。

这些官能团在化学和材料科学研究中扮演着重要角色，因为它们可以参与反应和相互作用，并对材料的性质和功能产生影响。

常见的含氧官能团包括羟基、羰基、醇基等。

2.2 Boehm滴定方法简介Boehm滴定属于一种常用的表面化学分析方法，用于测量材料表面上的含氧官能团含量。

这个方法最初由Werner Boehm在1966年提出，并已被广泛应用于碳材料以及其他具有含氧表面官能团的材料研究领域。

Boehm滴定方法基于以下原理：首先，将待研究样品置于滴定溶液中，其中包括一种酸性试剂，如硝酸或高锰酸钾溶液；接下来通过不同条件下进行搅拌、加热等处理，使得待研究样品上的含氧官能团与滴定试剂发生化学反应；最后，通过测量溶液中的酸性度变化（如pH值的变化），来推断含氧官能团的含量。

煤燃烧过程中碳_氧官能团演化行为

煤燃烧过程中碳_氧官能团演化行为

Evolution of carbon and ox ygen functional groups during coal combustion
XIANG Jun, H U Song, SUN L ushi, XU M ing hou, LI Peisheng, SUN Xuex in
( S tate K ey Labor ator y of Coal Combustion, H uaz hong Univ er sity of Science and T echnology , W uhan 430074 , H ubei, China)
引
言
在煤燃烧过程中 , 煤颗粒的表面扮演了一个非
常重要的角色, 煤中挥发分析出与着火、煤焦形成 及燃烧均和煤颗粒表面化学特性相关; 另外, 碳 氧官能团的特征在 原煤和其氧化 物中均存在 . 同 时, 在煤颗粒反 应过程中 , 表 面是反应的主 要场 所, 因此 , 煤焦颗粒表面上的官能团特征直接关系 到其反应特性.
Abst ract : Com bust ion experiment w as carried out w it h a lig nit e f rom Jung gar, w est China at diff erent temperatures in a drop t ube f urnace T he C1s and O1s spect ra f rom pulverized Jung gar lignit e and their chars w ere evaluat ed w ith X - ray phot oelect ron spect roscopy ( XPS ) . It w as show n t hat the carbon funct ional g roup cont ained a very small am ount of graphit ized carbon and some et her or hydro xy l gro up Oxy gen funct ional gr oup w as com bined w ith inorganic ox yg en and org anic ox yg en and t he or ganic ox ygen content w as relativ ely higher During co mbustion t he increase of graphit ized carbon and carbon corresponded to a decrease of sing le - bond carbon and double - bond carbon. Key w ords: coal char; com bust ion; XPS; carbon and ox ygen f unct ional g roup 对颗粒表面的研究方法有很多, 但对于表面化 学结构的测定通常使用 F T IR 和 XP S. F T IR 需要 对样品进行一定的前处理, 而且处理过程中需要避 免水分的干扰. XPS 作为一种表面技 术可以直接 判别不同化学环境的同种原子, 并借此测定出其相 对含量 . 它具有重现性好, 分析的可靠性较高[ 1] , 样品无需处理等优点, 因此 , 非常适合于测定煤焦 颗粒 表 面 官 能 团特 征 . 早 在 1983 年 , Dav id 和 Alan [ 2] 就利用 XPS 来研究煤颗粒表面的特征, 他 *

X射线光电子能谱

X射线光电子能谱
由于卤族元素F的电负性大于O的电 负性，造成C原子周围的负电荷密度 较低，这时1中C的1s电子同原子核 结合比较紧密。因此1中C1s的结合 能高于2。 借助于XPS谱图以及元素的电负性可 以分析元素或者离子之间的结合状态
XPS的基本原理
与氧化态关系
当某元素的原子处于不同的氧化态时，它的结合 能也会发生变化。以金属铍的氧化过程为例。
参考文献





[1] 王文生. X射线光电子能谱技术及其应用 [J]. 电子元件与材料. 1991(01) [2] 俞宏坤. X射线光电子能谱(XPS)[J]. 上 海计量测试. 2003(04) [3] 吴正龙,刘洁. 现代X光电子能谱(XPS)分 析技术[J]. 现代仪器. 2006(01) [4] 文美兰. X射线光电子能谱的应用介绍 [J]. 化工时刊. 2006(08) [5] 郭沁林. X射线光电子能谱[J]. 物理. 2007(05)
X射线光电子能谱的应用
1.对固体样品的元素成分进行定性、定量或半定量及价态分 析； 2.固体样品表面的组成、化学状态分析，广泛应用于元素分 析、多相研究、化合物结构鉴定、富集法微量元素分析、 元素价态鉴定； 3.应用于氧化、腐蚀、摩擦、润滑、燃烧、粘接、催化、包 覆等微观机理研究；污染化学、尘埃粒子研究等的环保测 定；分子生物化学以及三维剖析如界面及过渡层的研究


1887年，海因里希·鲁道夫·赫兹发现了光电效应 1905年，爱因斯坦解释了该现象，并为此获得了1921年的 诺贝尔物理学奖 1907年，因斯（P.D. Innes）用伦琴管、亥姆霍兹线圈、 磁场半球（电子能量分析仪）和照像平版做实验来记录宽 带发射电子和速度的函数关系，他的实验事实上记录了人 类第一条X射线光电子能谱 第二次世界大战后瑞典物理学家凯·西格巴恩和他在乌普 萨拉的研究小组在研发XPS设备中获得了多项重大进展， 并于1954年获得了氯化钠的首条高能高分辨X射线光电子 能谱 1967年之后的几年间，西格巴恩就XPS技术发表了一系列 学术成果，使XPS的应用被世人所公认

煤官能团的表征方法概述

煤官能团的表征方法概述

煤官能团的表征方法概述缪宇龙;姚楠;李小年【摘要】介绍了煤官能团的表征方法,对化学分析法、红外光谱法、程序升温脱附(TPD)、X射线电子能谱(XPS)和核磁共振波谱等方法在煤官能团表征中的原理及应用作了简要的分析比较,为煤炭自燃因素的分析及煤微观结构的综合研究提供方法参考.【期刊名称】《浙江化工》【年(卷),期】2015(046)001【总页数】4页(P43-45,48)【关键词】高官能团;化学滴定;仪器分析【作者】缪宇龙;姚楠;李小年【作者单位】浙江工业大学化学工程学院工业催化研究所,绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地,浙江杭州310032;浙江工业大学化学工程学院工业催化研究所,绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地,浙江杭州310032;浙江工业大学化学工程学院工业催化研究所,绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地,浙江杭州310032【正文语种】中文在煤自燃的过程中，活性官能团起着非常重要作用，为自燃反应提供了重要的活性位点，并为自燃的发生积蓄热量。

要研究官能团在煤自燃中的作用机理及影响规律，首先就要对煤的官能团进行全面、细致的分析表征。

在早期的研究中，煤的官能团大多采用化学方法表征，根据各类官能团的酸碱性、氧化还原性质的差别，利用化学滴定方法进行鉴别及含量测定。

随着近代仪器分析技术的不断发展，各类仪器分析法如红外光谱、X射线电子能谱、核磁共振谱等被应用到煤官能团表征上，逐渐取代化学分析方法，在煤官能团的表征测试上发挥着重要的作用。

虽然化学分析方法在煤官能团测定的应用上逐渐被淘汰，但其以针对性强、定量分析简单等优点，在分析某些特定官能团的应用中，仍具有较大的作用。

从化学分析角度来说，煤中主要的含氧官能团都能通过特定的化学反应利用化学分析方法进行定量测定，但由于基团之间的相互作用复杂，目前使用较为广泛的主要是对羧基和总酸性基团的测定方法。

羧基在煤中属于强酸性基团，其测定方法是钙离子交换法[1]。

煤显微组分表面含氧官能团的XPS分析

本研究对同一煤中手选出的镜质组和惰质组样品进?了xps测试对比分析同一煤中镜质组和惰质组表面元素组成及co官能团存在形式的异同以?好地?解镜质组和惰质组所表现出的?同的物?化学及物?化学性质
第２ ９卷第 ３期
ＶＯ ．９ １２ Ｎｏ． ３
文章编 号 ：１０－５２２ １）３０ ９－４ ０ ８０６（０００ ・４８０
ｈ ｎ —ｉｋ ｄ ｍａ ｅａｓ ｗｉ ｉｈ ｒ ｐ ｒｆ．Ｄｉｆｒｎ ｆ ｍ ｒｖｏ ｓ ｔｄｅ ，ｏ ｙ ｅ ｕ ｃｉｎ ｌ ａ ｅ ｎ ａ ｄ ｐｃ ｅ ｃ ｒ ｌ ｔ ｈｇ ｅ ｕｉ ｈ ｙ ｆｅｅ ｔ ｒ ｏ ｐ ｅ ｉｕ ｓ ｉｓ ｘ ｇ ｎ ｆｎ ｔ ａｉ ｈ ｓ ｂ ｅ ｕ ｏ ｔ ｙ
段 旭 琴 王 祖 讷 ，
（ ． 京 科 技 大 学 土 木 与 环 境工 程 学 院 ，北 京 ， １０ ８ ；２中 国矿 业 大 学 化学 与环 境 工 程 学 院 ， 北京 ， １０ ８ ） １ 北 ００３ ． ００ ３
摘
要：氧原子作为煤 中最丰富的杂原子，Ｃ Ｏ官能团的形态对煤的性质有重要影响 。为了研究煤岩显微组分 的 ．
ｄ ｔｒ ｎ ｄｂ ｅ ｏ ｕ ｉｎ ａ ｄ ｃ ｌｕ ａｉ ｎ ｏ ｓＸＰ ｐ ｃ ａ Ｉ ｓ ｏ ａ ａ ｂ ｎ ｏ ｙ ｅ ， ｔ ｅ ｏ ｉ ｏ ｅ ｎ ｅ ｅ ｍｉ ｅ ｙ ｒ ｓ ｌｔ ｎ ａｃ ｌｔ ｆ ｏ ｏ Ｃｌ Ｓ ｓ ｅ ｔ ． ｔ ｈ ｗｓ ｔ ｒ ｏ ， ｘ ｇ ｎ ａｌ ｔ ｆ ｔ ｇ ｎ ａ ｄ ｒ ｈ ｔ ｃ ｉｌ ｎ ｒ ｍｉ ｅ ａ ｒ ｅ ｃ ｅ ｃ ｌ ｏ ｏ ｅ ｔ ｃ ｒ ｌ． ｓ ， ０Ｈ， Ｏ一 ＣＯＯ— ｎ ｉ ｅｍａ ｎ ｆ ｒ ｓｏ ｘ ｇ ｎ ａ ｄ ｎ ｒ ｌ ｅｔ ｈ ｍｉ ａ ｍｐ ｎ ｎ ｓｉ ｍａ ｅ ａ ｓ Ａｌｏ － ａ ｈ ｃ ｎ － ， ａ ｄ Ｓ Ｏ２ａ ｉ ｍ ｆ ｙ ｅ ； ｎ ｒ ｏ ｏ ｃ ｂ ｎ ｅ ｉ ｓ ｉ ｅ ｆ ｒ ｓｏ Ｃ ｒＣ． Ｃ— ａ ｄ ＣＯＯ‘ Ｔ ｅｖ ｔｉ ｉ ａ ｉ ｈ ｒｃ ｎ ｅ ｔ ｆ Ｃ ｏ Ｈ ａ ｒ ａ ｏ ｘ ｓ ｔ ｍ ｆＣ— ｏ Ｈ， Ｏ， ｎ ｔ ｎｈ ｏ ． ｈ ｉ ｎ ｔ ｈ ｓｈ ｇ ｅ ｏ ｔｎ ｒＣ— ｔ ｎ ｒ ｅ ｏ Ｃ— ｈ ｉ ｅ ｔ ｉ ． ｈ ｈ ｎ ｌ ｙ ｒ ｘ ｌｃ ｎ ｅ ｔ ｏ ｉ ｉ ｉ ｅ ｍ ｏ ｅ ｔ ａ ｈ ｔｏ ｅ ｔ ｉ ． ｅ ｅ ａ ｅ ｍ ｏ ｅ － ｎ ｄ ｎ ｒ ｎ ｔ Ｔ ｅ ｐ ｅ ｏ ｉ ｈ ｄ ｏ ｙ ｏ ｔｎ ｓ ｆｖ ｔ ｎ ｔ ａ ｒ ｎ ｔ ａ ｆ ｉ ｒｉ ｔ Ｔ ｒ ｒ ｒ ０一ａ ｉ ｅ ｃ ｒ ｅｒ ｈ ｎ ｎ ｅ ｈ ＣＯＯ。 ｎ ｉ ｅ ｔ ｉ ． ｏ ａ ｘ ｇ ｎ ｃ ｎ ａ ｎ ｄ ｇ ｏ ｐ ｉ ｉ ｉ ｉ ｖ ｎ ｍ ｕ ｈ ｍｏ ｅ Ｔ ｅｃ ｎ ｌ ｓｏ ｓｉ ｉ ｓ ｄ ｅ ｉ ｒｉ ｔ Ｐ ｌ ｏ ｙ ｅ ｏ ｔ ｉ ｅ ｒ ｕ ｖ ｔ ｎ ｔ ｉ ｅ ｅ ｃ ｒ ． ｈ ｏ ｃｕ ｉ ｎ ｔ ｓ ｔ ｙ ａ ｎ ｎ ｅ ｒ ｎ ｒ ｅ ｓ ｎ ｈ ｕ ｒ ｕ ｅ ｕ ｏ ｎ ｅ ｓ ｎ ｉ ｇ ｔ ｅｓｒ ｃｕ ｅａ ｄｐ ｏ ｅ ｔ ｆ ｏ １ ｓ ｆ ｌ ｒ ｄ ｒｔ ｄ ｔｕ ｔ ｒ ｎ ｒ ｐ ｒ ｏ ａ ． ｆ ｕ ａ ｎ ｈ ｙ ｃ

《X射线光电子能谱》课件


3 3. 问题探讨和建议
鼓励听众思考和讨论涉及 X射线光电子能谱的问题， 并提供相关研究建议。
3
3. 统计研究实验中的应用，以及如何进行误差分析和数据可靠性评 估。
第四部分：X射线光电子能谱的应用案例
1. 反应机理和反应动力学 的研究
探索X射线光电子能谱在研究化 学反应机理和反应动力学中的应 用案例。
2. 材料表征和界面分析
展示X射线光电子能谱在材料表 征和界面分析中的实际应用，如 薄膜表面分析和纳米材料研究。
3. 化学成分分析
说明X射线光电子能谱在化学成 分分析中的优势，如表面元素含 量检测和化学状态表征。
第五部分：X射线光电子能谱的研究进 展和展望
1 1. 新技术和新方法的发展
预测X射线光电子能谱领域未来的发展方向，包括新的仪器技术和数据处理方法。
2 2. 应用领域的拓展
展望X射线光电子能谱在新的应用领域，如生物医学、能源材料和环境科学等方面的发展。
2 2. 光电效应原理
深入解释X射线光电子能谱的定义和原理，以 及如何通过光电效应获得材料表面化学信息。
讲解光电效应的基本概念和原理，以及光电 子发射的条件和限制。
3 3. 能量分辨率和解析度的概念
4 4. 应用领域
介绍X射线光电子能谱的能量分辨率和解析度 是如何影响数据质量和实验结果的。
探讨X射线光电子能谱在材料科学、化学分析、 表面物理和界面研究等领域的广泛应用。
3 3. 未来的发展方向
探讨X射线光电子能谱可能的未来发展方向，如高分辨率、原位研究和多模态分析等。
总结
1 1. X射线光电子能谱
的优势和特点
总结X射线光电子能谱作 为表面分析技术的独特优 势，如高灵敏度、非破坏 性等特点。

浅析影响煤岩润湿性的因素

浅析影响煤岩润湿性的因素李庆会;游艺;欧阳云丽;柯文丽;杨林江【摘要】煤岩润湿性是煤层的基本特性参数之一,探索影响煤岩润湿性的相关因素对提高煤层气的勘探开发效果具有重要的意义.本文详细研究并分析了界面间的相互作用,煤的表面结构特征,溶液的pH值及添加剂浓度等多个方面对煤岩润湿性的影响.【期刊名称】《石油化工应用》【年(卷),期】2013(032)001【总页数】3页(P88-90)【关键词】煤层气;润湿性;煤的表面结构特征;溶液的pH;界面间的相互作用【作者】李庆会;游艺;欧阳云丽;柯文丽;杨林江【作者单位】长江大学石油工程学院,湖北武汉430100;长江大学石油工程学院,湖北武汉430100;长江大学石油工程学院,湖北武汉430100;长江大学石油工程学院,湖北武汉430100;长江大学石油工程学院,湖北武汉430100【正文语种】中文【中图分类】TQ531煤的润湿性是煤的一项很重要的物理化学性质参数,它不仅在煤化工中应用,而且在煤矿开采及安全中亦有重要作用,例如在煤层预注水防尘中，煤润湿性的大小在很大程度上影响着其注水效果；煤的水润湿性研究对提高防降尘效果有重要意义；油团聚法和浮选法等也都是以煤的润湿性为依据的选煤工艺。

由已有的结论说明，煤粉在溶液中的润湿性能首先和溶液中气体-液体表面张力有关，其次也和溶液中煤粉的固体一液体界面张力，溶液中煤粉的固体-液体界面张力的大小有关，还和煤粉的疏水性等性质有关系，由此总结出影响煤岩润湿性的因素主要有界面间的相互作用，煤的表面结构，溶液的pH值及添加剂浓度等以下三个方面。

1 界面间的相互作用润湿现象是一种界面行为,润湿性的改变是通过改变相接触的液固界面性质来实现的。

具体方法是：在煤的悬浮液中加入一些譬如表面活性剂和絮凝剂这样的添加剂,这些添加剂在界面上有吸附作用,这种作用可导致溶液的界面性质以及固体的表面性质改变,进而引起煤表面润湿性的改变。

首先，由于表面活性剂分子所带的电荷不同,其产生的吸附作用也有区别，进而表面活性剂分子与煤粒表面之间的作用也不一样。

V-Vo-Co3O4_催化剂的制备及其析氧性能的研究

关键词 析氧反应(OER),掺杂,氧空位,Co3O4,电解水 创新点 通过两步浸泡法合成富氧空位、V 掺杂的 Co3O4 催化剂;氧 空 位、V 元 素 的 引 入 有 效 调控了 Co3O4 的电子结构;低结晶度的 Co3O4 展现出优异的 OER 催化活性以及良好的稳定性。 中图分类号 TQ426.6 DOI:10.19726/ki.ebcc.202402010
近年 来,科 研 人 员 采 用 不 同 的 策 略 来 提 高 Co3O4 的导电性,进 而 提 高 其 催 化 活 性。 缺 陷 工 程 可以有效地调整催 化 剂 的 表 面 性 质 和 电 子 结 构,从 而增强 对 OER 的 电 催 化 活 性 。 [4-5] 如 WANG et al[3]使 用 强 还 原 剂 NaBH4 处 理 Co3O4,经 NaBH4 处理后成功在 Co3O4 纳米线 中 引 入 了 氧 空 位,所 得 到的富氧空位的 Co3O4 比初始的 Co3O4 的 OER 催
0引 言
阳极析氧 反 应 (OER)的 缓 慢 动 力 学 和 高 过 电 位是电解水制 氢 的 主 要 障 碍。 制 备 高 活 性 的 OER 催化剂,可以有 效 提 高 电 解 水 效 率。 贵 金 属 基 材 料 如 RuO2 和IrO2,被 认 为 是 最 先 进 的 电 催 化 剂,然 而 ,这 些 贵 金 属 基 材 料 的 低 储 量 、高 成 本 和 低 长 期 耐 久 性 严 重 限 制 了 其 广 泛 应 用 。 因 此 ,开 发 低 成 本 、高 性能、长期稳定性良好的 OER 催化剂意义重大。
第47卷 第2期 2024 年 3 月
煤炭转化
COAL CONVERSION
Vol.47 No.2 Mar.2024
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0.55
1.05
O/C
0.50 0.45 0.40 0.35
H/C
1.00 0.95 0.90 0.85 0.80
0.30
ML-1
0.75 0.70
ML-2
0.25 54 56 58 60 62 64 66 68 70
54
56
58
60
62
64
66
68
70
Cdaf/%
Cdaf/%
图 1-1 总体 O/C 与 Cdaf 的相关关关系图 Fig.1-1 The corration diagram between bulk O/C 与 Cdaf
缩 合 环 1.02 1.72 1.61 1.94 1.57 1.99 1.53 1.46 1.46 1.61 1.67 1.52 1.77 1.50 1.19 1.53
*芳碳率 fa=1200×（100-Vdaf）/（1240×Cdaf） ，[17]
H ⎛ R −1⎞ 2⎜ ⎟ = 2 − fa − C ⎝ C ⎠
O/C 0.53 0.28 0.25 0.25 0.33 0.30 0.35 0.33 0.30 0.32 0.27 0.42 0.27 0.37 0.45 0.36
H/C 1.03 0.78 0.76 0.73 0.83 0.83 0.83 0.89 0.79 0.84 0.84 0.76 0.84 0.93 0.99 0.87
2．样品制备
作者采集了自胜利煤田三个矿区 13 个低变质煤样，煤样信息如表 1 所示。实验样品研 磨至粒度≤74μm，在干燥箱内干燥 10 小时备用。为了了解低阶煤含氧官能团的变化及煤表 面氧化特征，作者进行了工业分析、元素分析和 X 射线光电子能谱分析，并运用元素分析 及统计解析法研究了煤样结构参数的变化， 运用分峰拟合和相关分析法研究了煤样含氧官能 团的变化。
,其中：R- 平均缩合环数
-2-

煤样的 H/C 原子比 0.73(WNT-4)~1.03(WNT-1)平均为 0.85； 而 O/C 原子比 0.25(WNT-4、 3)~0.53(WNT-1)，平均值为 0.34。和同煤级煤[18]相比，该区的煤样 O/C 原子比较低，这可 能是成煤过程中受到了海水作用的的较强影响，使得还原性较强造成的[19]。 如图 1-1 和图 1-2 所示，煤样的 Cdaf 和 O/C、H/C 原子比有着良好的负相关关系，说明 随着煤化作用的加强，O、H 的含量逐渐减少，这和煤化作用的脱氧脱氢过程是一致的。不 过其中 ML-1 的变化比较特殊， 它的 O/C 原子比和相近碳含量的其它煤样更小， 这可能是受 它的特高 S 含量的影响。一方面，由于属于同一主族的 S 和 O 具有相似的反应性，S 势必 进入煤分子中， 取代或占据了部分 O 的位置， 进而导致 O 含量偏低， 从而造成该煤样的 O/C 原子比偏低；另一方面，结合表 1 中煤样信息可以得知该煤样的丝炭含量比较高，反而造成 了该煤样的 O/C 原子比偏低，这和以往认为的 O 主要由丝质组的贡献不一致，所以显微组 分的含量不是造成该煤样的 O/C 原子比偏低的原因。该原因有待进一步探讨。在图 1-2 中 ML-2 的变化比较特殊，和相近碳含量以及同一煤矿的其它样品相比 ML-2 的 H/C 原子比显 著偏小， 结合表 1 煤样信息可知该煤样有油质的渗出， 这可能是该煤样受地质作用脂肪侧链 脱除造成的。

低阶煤表面含氧官能团的 X 射线光电子能谱研究1
郑 仲，曾凡桂，王传格
太原理工大学 煤科学与技术教育部及山西省重点实验室 地球科学与工程系矿物物理化学 与环境地球化学研究室，太原 (030024)
E-mail：xtzhzh@
摘 要： 为了了解低阶煤表面含氧官能团的特征和深入了解煤表面的氧化变化， 作者对采自 3 个矿区的 13 个低变质煤样进行了工业分析、元素分析和 X 射线光电子能谱实验，并运用 统计解析法研究了煤结构特征，运用分峰拟合和相关分析法处理了 X 射线光电子能谱实验 数据。研究结果显示 Krevelen 经验公式计算芳碳率 fa 不适用低阶煤，低阶煤 O/C 原子比随 表面含氧官能团的主要赋存形式是醚羟基 （C-O） ， 羰醛基 （C=O） 着 Cdaf 含量的增加而降低； 和羧基（COO-）含量较少，表面各含氧官能团含量和总体 O/C 原子比之间并没有显著的相 关 关 系 ， 与 表 面 O/C 原 子 比 之 间 呈 现 一 定 的 相 关 关 系 ； 煤 表 面 氧 化 过 程 为 ： C→C-O→C=O→COO-→气体。 关键词：X 射线光电子能谱；含氧官能团；低阶煤 中图分类号：TQ533.1
fa* 0.96 0.96 1.02 0.94 0.97 0.82 0.97 0.93 1.04 0.94 0.90 1.03 0.89 0.88 0.93 0.93
环 缩 合 0.01 0.25 0.22 0.32 0.20 0.35 0.20 0.17 0.17 0.22 0.26 0.21 0.27 0.19 0.08 0.20
Ultimate analysis wdaf /% C 55.36 68.32 67.32 69.62 65.16 67.21 62.98 64.63 65.96 65.20 61.58 58.66 68.08 61.87 57.58 61.55 H 4.73 4.46 4.29 4.24 4.43 4.63 4.35 4.82 4.34 4.54 4.31 3.7 4.78 4.79 4.74 4.46 O 38.86 25.11 22.85 23.10 27.48 27.02 29.66 28.57 26.74 28.00 21.80 33.22 24.80 30.13 34.35 28.86 ** N 0.64 0.92 0.96 1.03 0.89 0.79 0.92 1.05 0.92 0.92 0.99 1.07 1.04 0.87 1.02 1.00 S 0.41 1.19 4.58 2.01 2.05 0.35 2.08 0.93 2.04 1.35 11.32 3.35 1.3 2.34 2.31 4.12
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型，作者认为应当做更深入的研究。
4．X射线光电子能谱实验
4.1 实验设备及数据处理
XPS 的试验设备和参数设定，见文献[11]。
4.2 结果和讨论
备注 特征煤样 含泥质较多 含丝炭较多 含泥质较多 夹矸下部富锗层 富锗层 富锗层 夹矸相间富锗层 含丝炭较多， 泥质较多，灰褐色，坚硬，有油质 木质较多 褐色，有木质层理 含泥质较多，黑褐色，坚硬
表 2 原煤的工业分析和元素分析 Tab.2 Proximate and ultimate analysis of paraent coal
表 1 测试煤样信息表 Tab.1 The information of the experimented samples
采样煤矿 乌尼特
煤样世代 早白垩世
乌兰图嘎
早白垩世
芒来
早白垩世
样品标号 WNT-1 WNT-2 WNT-3 WNT-4 WLTG-1 WLTG-2 WLTG-3 WLTG-4 ML-1 ML-2 ML-3 ML-4 ML-5
%
Samples WNT-1 WNT-2 WNT-3 WNT-4 均值 WLTG-1 WLTG-2 WLTG-3 WLTG-4 均值 ML-1 ML-2 ML-3 ML-4 ML-5 均值
Proximate analysis w/% Aad Vdaf Mad 25.77 25.59 44.86 18.62 7.20 31.94 16.57 10.31 29.25 15.31 11.54 32.04 19.07 13.66 34.52 17.20 6.55 42.94 29.94 5.74 37.03 25.16 3.71 37.72 23.44 10.38 28.95 23.94 6.60 36.66 16.69 21.39 42.75 37.68 10.12 37.66 25.82 6.64 37.58 27.26 6.50 43.92 32.44 6.83 44.51 27.98 10.30 41.28
1．引言
近年来，能源供给形势日趋紧张， 我国以煤炭为主的能源结构特征近期不会改变，受 煤炭自身条件的限制，以煤的气化、液化等为特征的煤基新能源技术已经成为研发热点。含 氧官能团是煤分子的重要组成之一，直接影响煤的液化、燃烧和成浆等性能[1-4]。受煤化作 用的影响， 含氧官能团在低阶煤中的含量往往较高。 由于煤表面的氧化是煤氧化的初步阶段， 深入分析煤表面含氧官能团的变化特征不仅可以深入理解煤的氧化机理， 而且也可以为煤转 化的后续工艺提供基础。然而，由于低阶煤氧化的复杂性，有关低阶煤表面含氧官能团的研 究比较少。 X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy）是一种优良的表面测试技术，可 以直接判别元素的不同赋存状态，并测定出其相对含量，它具有绝对灵敏度高（10-18g）， 重现性好，分析的可靠性较高，样品无需处理等优点[5]。1974年，Frost[6]首次发表了用XPS 研究煤的文章。三十年来，XPS作为一种新的现代分析方法已广泛用于煤结构的研究，并在 对煤中氮、硫元素的研究中得到了广泛应用[7-10]。本研究是在前人工作的基础上[11-16]，采用 元素分析及统计解析和XPS方法研究了三个矿区13个低阶煤样的结构特征和表面含氧官能 团的分布特征， 了解煤结构参数和表面含氧官能团组成之间的关系， 为深入了解低阶煤的氧 化机理提供基础。
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本课题得到国家自然科学基金（项目编号：40772097，40572094，40372073）的资助。 -1-

3．工业分析和元素分析
煤样的工业分析和元素分析是在中科院（太原）煤炭化学研究所测定的。测试结果如表 2 所示。 煤样 Cdaf 含量范围为 55.36(WNT-4)~69.62(WNT-1)，均值为 63.78，属于低阶煤。其中 芒来煤的 Cdaf 含量（61.55）最低，乌尼特煤、乌兰图嘎煤的 Cdaf 含量相近，分别为 65.16、 65.20；芒来煤的 H/C 原子比和 O/C 原子比也最高，分别是为 0.36 和 0.87，这和煤化作用的 脱氢脱氧过程是一致的。