三维油页岩 kerogen 分子模型：实验与理论研究

"油页岩干酪根分子模拟与三维结构模型的研究进展" 油页岩是一种重要的潜在能源，其中包含无机矿物基质和有机物质。有机物质主要分为两种：沥青和角质。角质不溶于常规有机溶剂，被认为是石油和天然气在油页岩热处理过程中形成的源头物质。对角质的化学结构特征的研究对于理解热解机制和指导实际工业过程具有重大实践意义。根据H/C和O/C的比例，角质可以被划分为四类。 过去二十年间，大量研究致力于角质的分子结构、角质热解以及天然油生成机理的研究。二维（2D）模型的建立是理解油页岩化学结构的良好起点。有研究提出了不同类型角质（类型I、II、III）在不同演化阶段的2D模型，这些模型基于元素分析、电子显微镜、碳13核磁共振（NMR）、热重分析、功能分析和热解等方法获得的结构信息。 此外，针对格林河油页岩，提出了一个C645H1017N19O17S4的2D模型，其数据主要来源于温和条件下分离材料的NMR和质谱分析。13C NMR定量了特定含碳官能团，而质谱分析了角质热解时气体的演化和物种。 随着研究深入，三维（3D）结构模型被开发出来，不仅定义了结构信息，还为确定热解反应机制、识别活性位点及预测反应趋势提供了新途径。例如，针对格林河角质的3D模型，就是基于2D结构构建的。 最近，关于华旦油页岩角质的分子结构信息通过固态13C核磁共振（NMR）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外（FTIR）和X射线衍射（XRD）技术获取。基于这些数据，一系列华旦角质同分异构体被构建。通过密度泛函理论（DFT）计算，系统研究了可能的碳骨架异构体、芳香环取代位置效应、脂肪族醚键、羧酸和羧酸衍生物的量以及三级和四级碳对华旦角质模型稳定性的影响。对于碳骨架异构体，计算得到的总能量随碳骨架异构体数量的增加而降低，这表明更复杂的碳骨架结构可能具有更高的稳定性。 这些研究为进一步理解和模拟油页岩的热解过程提供了基础，并可能推动油页岩能源开采技术的创新和发展。未来的工作可能涉及更复杂的3D模型构建、更精确的热解动力学研究以及在实际工业应用中的验证。