油砂沥青是油砂中重要的烃类有机物,为了掌握油砂沥青内部结构以及热解过程,利用实验和分子动力学模拟相结合的方法,对油砂沥青的分子结构进行了探究,建立了最优油砂沥青分子模型,并进行了热解过程的模拟,确定热解过程中能垒最低的反应路径。基于热解过程中油砂沥青内部结构的变化规律,在分子层面阐述了热解过程中的有机质内部的变化,为油砂热解利用提供理论依据。本文主要从以下几方面展开研究:对油砂进行热重-红外热解实验以及油砂及其半焦固体红外实验,获得油砂热解过程中气体红外和固体半焦红外数据,对数据进行分析发现油砂沥青的分解主要发生中温段。在红外谱图中,芳环与脂肪链的特征峰是最明显的,含氧官能团的特征峰比较宽,经过分峰拟合发现主要为醇羟基、酚羟基和分子间氢键。对芳环特征峰进一步分峰拟合,发现油砂沥青中芳环主要为五取代芳环。对各个温度下、各个频率谱段的特征峰进行分峰拟合,得到红外结构参数。结构参数显示虽然杂原子和分子间氢键在谱图中不明显,但在热解过程中起到关键作用。随着热解温度的升高,油砂沥青含氧官能团和脂肪链逐渐分解和脱落,芳构化程度进一步加深,芳环侧链和取代基逐渐脱落。通过对油砂沥青13C核磁数据谱图进行分峰拟合,得出各个拟合峰的位置与峰面积大小,计算得到碳原子在各个化学环境下的比例,通过元素分析数据得到分子比例式,插入红外分析所得到的官能团,得到初步二维分子模型。随后不断调整分子模型,直到得出模型核磁谱图与实验核磁一致的结构。最后将模型结构导入Material Studios软件中,引入网格概念,经过分子动力学模拟得到油砂沥青最佳分子模型。通过对分子模型键长、键级和电子密度分析发现杂原子具有较高的反应活性,在热解过程中键更容易断裂,通过分子轨道的分析确定了比较容易发生化学反应的位置。对于热解过程中最可能形成的分子片段,运用Dmol3模块中的TS search板块进行反应能垒计算和路径分析,噻吩和咔唑相较于二本并噻吩具有很高的反应能垒,不易发生化学反应;在乙基硫烷片段中Path1和Path2的反应能垒都小于Path3和Path4,表明硫与脂肪链的连接方式相较于硫与芳环更加稳定。