长焰煤和无烟煤转化为金刚石的分子动力学模拟

摘要

为了明晰煤转化为金刚石的微观过程，促进煤炭资源的清洁高效利用，采用反应力场分子动力学（ReaxFF MD）研究了煤中杂原子脱除、金刚石形核和金刚石生长的过程.结果表明：温度越高，煤热解产生的无机气体和有机气体的数目越多.温度为4 000 K时，3次脱除杂原子产物后长焰煤中碳元素含量为98.54%,无烟煤中碳元素含量为98.83%.在金刚石形核阶段，煤的金刚石形核最低压力(p_min)与温度呈负相关，与升压速率呈正相关；长焰煤的p_min高于无烟煤，且二者形成的金刚石核均为六方金刚石.在金刚石生长阶段，煤的金刚石转化率随压力增加而升高，提高反应温度和降低升压速率能够有效提高金刚石转化率.温度为4 000 K时，以0.05 GPa/ps的升压速率将压力升至80.00 GPa时，长焰煤的金刚石转化率为46.97%,无烟煤的金刚石转化率为45.77%.温度为4 000 K,以0.1 GPa/ps的升压速率将压力升至80.00 GPa时，延长恒温恒压时间对长焰煤的金刚石转化率提升作用更强；经过恒温恒压350 ps,长焰煤的金刚石转化率由29.68%提升至53.65%,无烟煤的金刚石转化率由21.32%提升至31.27%.煤形成金刚石核后将进入金刚石生长阶段的过渡期，在此期间2种煤的金刚石转化率随压力升高变化缓慢.在煤经高温高压转化为金刚石的过程中，金刚石结构与非金刚石结构发生相互转化，同时也存在立方金刚石和六方金刚石结构的相互转化.

关键词

煤 / 金刚石 / 高温高压 / 反应力场 / 分子动力学模拟