煤田地质与勘探

作者：李云波, 王荣琪, 宋党育, 王成涛, 李强, 伊可, 王媛媛, 潘结南,

关键词：构造煤, 类碳纳米管, 晶体, 力化学, 碳材料,

目的碳纳米管因独特的结构与性能备受关注，但人工合成常需高温(700~2 300 ℃)、稳定碳源与催化剂等严苛条件，自然界中鲜有发现。煤作为富碳介质，在其变质−变形过程中可形成多种有序碳结构，为探索天然碳纳米管的生成提供了理想载体。方法选取平顶山、淮北典型构造煤为主要研究对象，经脱矿与氯仿萃取处理后，采用高分辨率透射电镜(HRTEM)进行观测，意外发现煤中富含的纤维管状结构，结合X射线衍射(XRD)与拉曼光谱系统表征其结构，并初步探讨其形成机制。结果在中煤级构造煤中首次发现类碳纳米管结构，该结构多呈中空、管壁平行的线状或卷曲状，以2~18层多壁为主，直径为0.4~6.0 nm，单层碳间距约0.4 nm。拉曼光谱中G峰(1 595、1 599 cm−1)与D峰(1 354、1 364 cm−1)的分布与石墨高度一致；XRD分析显示d002晶面间距为0.343~0.348 nm，进一步证实其具有类石墨晶体结构。同时发现，有机溶剂萃取可有效富集并增强该类结构的观测性。结论(1) 分析认为强构造应力(尤其是剪切应力)通过力化学作用、元素迁移与摩擦热的协同效应，显著降低了煤中芳香层有序化与卷曲的能量壁垒，从而在远低于传统合成温度的条件下，驱动有机碳形成类碳纳米管结构。(2) 该发现不仅丰富了天然碳材料体系，更重要的是提出了一种不依赖极端热−催化条件的“构造力−化学”形成路径，为发展基于应力调控的碳纳米管绿色仿生制备技术提供了关键理论与新途径。(3) 未来研究的关键在于定量揭示煤基类碳纳米管结构形成的“力化学”作用过程及动力学机制。

来源：2026年第3期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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