【摘要】 解码煤焦油的成分及其光学性质是将这些复杂的多环芳烃应用于光学器件的基础。

解码煤焦油的成分及其光学性质是将这些复杂的多环芳烃应用于光学器件的基础。对煤焦油中的所有有机分子进行了密度泛函理论(DFT)模拟和时间相关DFT(TDDFT)模拟,计算了它们的分子偶极矩、光学间隙、基本间隙、Urbach尾能、振动光谱等。使用具有最大方差准则的主成分分析(PCA),将与结构、电子和振动特性相关的三个主要成分解耦。煤焦油是在炼焦过程中在管道中冷凝的多环芳烃(PAHs)的混合物[1]。煤焦油中45个分子(沥青中有11种异构体和多环芳烃)的化学、电学、光学和光谱数据的15个因子是使用密度泛函理论(DFT)和时间相关DFT(TDDFT)生成的。利用丰富的表征数据,进行主成分分析(PCA)以降低维数。三个主要分量PC1、PC2、PC3是C:H比、sp3/sp2比、内能(E)、焓(H)、吉布斯自由能(G)、单点能(S)、分子质量、偶极矩、Urbach尾能(Eu)、光学间隙(Eoptical)、基本间隙(Ebasical)、光学带隙(Eg)和振动特性的线性组合。实验数据表明,煤焦油主要由4–6个环的多环芳烃组成(分子量在217至300之间)。模拟的光学带隙(3~4eV)比测量值(2.857eV)宽,这可以用固态效应和杂质影响来解释。这项研究为煤焦油化学性质的理解提供了新的见解,可以扩展到其他重烃的解释。通过模拟计算了煤焦油中45种有机分子的15个因素的无损鉴定,涉及元素组成、半导体性质、电子能和结构。用Gaussian程序计算了B3lyp/6-31G(d)基集的DFT和TDDFT,以优化分子结构,计算电子能,模拟可见光谱和模式振动特性。为了避免耗时费力的分析,采用主成分分析来证明各因素与协方差之间的相关性。在最大方差准则中,可以构造三个主要分量,分别表示结构、电子和振动特性。

 

[1] Małachowska A, Mastalerz M, Hampton L, Hupka J, Drobniak A. Origin of bitumen fractions in the Jurassic-early Cretaceous Vaca Muerta Formation in Argentina: Insights from organic petrography and geochemical techniques. Int J Coal Geol 2019;205:155–65.