本论文立题“煤基石墨烯与煤基石墨烯量子点结构的影响因素研究”,以不同变质程度煤为研究对象,从显微组分、煤结构、矿物质、杂原子等方面,系统探讨煤中石墨烯微晶(多环芳香烃)的赋存分布以及高温演化机理,运用成熟的石墨烯与石墨烯量子点技术制备煤基石墨烯和煤基石墨烯量子点,从煤质特征、煤化学结构等角度探讨不同煤质煤作为煤基石墨烯和煤基石墨烯量子点碳源的影响因素,以期为煤的高附加值利用、开发高品质煤炭资源、扩展石墨烯制备材料来源及制备途径和煤基石墨烯市场战略定位提供理论支撑。(1)开展了无烟煤中矿物质、元素组成和显微组分对煤基石墨烯微观结构和化学组成影响的实验研究。选用两种高变质无烟煤作为碳源,其中山西王台铺煤(WTP)为中高镜质组、低灰无烟煤,云南小发路煤(XFL)为高镜质组、特低灰无烟煤,鲁塘天然煤系石墨(G-LT)为对照。原煤和脱矿煤经2800℃石墨化后,采用改进Hummers氧化方法合成了煤基石墨烯。用光学显微镜观察了原煤和G-LT的形态,用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱(Raman)和傅立叶变换红外光谱(FT-IR)等分析评价原煤、中间产物和石墨烯片层(GS)的形态和微观结构演变。结果表明,两种无烟煤均可用于制备煤基石墨烯,显示出典型的二维层状结构。无烟煤的石墨化能力不同,即使是煤阶相近,在高温过程中也表现出明显的不同演化。原生无烟煤中的净氢含量越高,石墨化越有利,形成的无烟煤基石墨越容易氧化和插层,降低最终石墨烯产品的O/C 比就越容易。(2)为探讨煤结构和化学特性对石墨烯量子点(GQDs)的影响,以六种煤为原料,采用一步法合成了煤基GQDs,其中两种超高有机硫煤用于尝试制备硫掺杂GQDs。主要结论如下:高挥发分烟煤到无烟煤等不同煤阶煤均可用于制备GQDs,GQDs多为不规则圆形,在水溶液中分散性良好,在紫外光下发出蓝绿色或蓝色荧光。相同制备条件下,煤基GQDs尺寸大小与煤阶有显著的对应关系:无烟煤基GQDs具有无缺陷的六方晶体结构,尺寸最大,片层中碳环排列密集;低挥发分烟煤基GQDs直径相对减小,晶格走向相对清晰,六方晶体结构隐约可见;高挥发分烟煤基GQDs片层尺寸最小,晶格条纹排列不够紧密,定向性不明显,片层内部出现孔隙缺陷。荧光量子产率随着原煤变质程度增加而先升高后降低,GQDs的产率则持续降低。另外,采用超高有机硫煤(低挥发分烟煤)制备的GQDs表面即使经过强氧化也能保持较高的硫含量,有效地调节了带隙,提高荧光量子产率。因此,高含量有机硫的低挥发分烟煤可尝试作为天然S掺杂碳源,制备S掺杂GQDs,扩大低品质煤的清洁利用。(3)基于煤基GQDs的氧化切割方法,提出一种研究煤中芳核结构的新思路:通过消解键能较弱的脂肪、官能团等交联键,得到分散的芳核结构。选取三种不同挥发分煤作为分析对象:山西汾西高挥发分烟煤(FX,36.87 Vdaf)、山西西铭低挥发分烟煤(XM,15.18 Vdaf)、云南小发路无烟煤(XFL,5.01 Vdaf)。基于透射电镜的超高分辨率,清晰地观察到煤中芳核形貌,并定量测量了芳核结构参数。分析结果表明:芳香核聚集体尺寸与煤阶有显著的对应关系,大多数芳香簇外观明显呈不规则圆形,分布均匀。XRD所测La平均值与HRTEM下观察到的最小芳核尺寸可以彼此很好地对应,FX的最小芳核尺寸为1.1 nm左右,XM的为1.6nm左右,XFL的为2.2 nm左右。高挥发分烟煤(FX)中芳核的碳环排列紊乱,定向性不强,可以观察到内部缺陷。随煤阶增加,碳环的排列逐渐密集,晶体取向进一步改善,表现为芳香核凝聚环数的增加、单芳核和聚集体的直径增加。此外,获得了无烟煤中存在类石墨结构的直接证据。本文直接观察并量化分析了煤中芳核的几何特征以及芳核缩聚特性,将会为煤中有机大分子结构的进一步深入研究提供新的视角。受煤结构的复杂特性以及透射电镜分辨率的影响,如果要获得更多煤中芳核的直观证据,还需要继续完善实验方案。