近日，我校化學(xué)與化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)與技術(shù)團(tuán)隊(duì)張光華教授、朱軍峰教授（通訊、共同第一作者）、碩士生雷云浩（第一作者），聯(lián)合四川大學(xué)先進(jìn)高分子材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳寧研究員，圍繞水煤漿（CWS）清潔利用的核心技術(shù)難題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬相結(jié)合，揭示了表面活性劑在水煤漿中的微觀分散機(jī)理，為高效、環(huán)保水煤漿分散劑的理性設(shè)計(jì)提供了全新理論框架。相關(guān)成果以 “Molecular-level studying on the dispersion mechanism of surfactants in coal-water slurry by molecular dynamics simulation: A comprehensive review” 為題，發(fā)表于膠體與界面科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Advances in Colloid and Interface Science》（中科院一區(qū)Top， IF 19.262）（2026 年，Volume 347, 103692，DOI: 10.1016/j.cis.2025.103692）。該期刊是化學(xué)工程、材料科學(xué)領(lǐng)域?qū)W者獲取前沿理論與技術(shù)的重要平臺(tái)，其發(fā)表的綜述類文章常被作為領(lǐng)域內(nèi)研究的關(guān)鍵參考依據(jù)。

一、研究背景

水煤漿作為一種環(huán)保型清潔煤基燃料，由煤粉、水介質(zhì)及功能添加劑組成，依托我國(guó)煤炭資源稟賦優(yōu)勢(shì)，已成為替代油氣燃料的重要能源方案。與傳統(tǒng)燃煤方式相比，水煤漿燃燒可顯著降低顆粒物與有害氣體排放，在工業(yè)鍋爐、窯爐等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。然而，低階煤因表面疏水性差、含氧官能團(tuán)豐富、內(nèi)在水分高、揮發(fā)分占比大等特性，制備的水煤漿常面臨體系穩(wěn)定性不足、濃度低、表觀粘度高、流變性差等技術(shù)瓶頸。表面活性劑雖能通過(guò)提升低階煤表面疏水性、利用空間位阻與靜電排斥改善漿體流變性，但學(xué)界對(duì)其在煤 - 水界面作用的微觀機(jī)制仍缺乏系統(tǒng)認(rèn)知，制約了高效分散劑的開發(fā)。

分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)憑借在分子水平解析動(dòng)態(tài)行為與熱力學(xué)性質(zhì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為突破這一瓶頸的關(guān)鍵工具，該技術(shù)可在原子尺度分析表面活性劑在煤表面的吸附動(dòng)力學(xué)，量化關(guān)鍵參數(shù)以深化作用機(jī)制研究，為低階煤的高效清潔利用提供理論支撐。https://doi.org/10.1016/j.cis.2025.103692

二、核心研究成果

文章以 “ 煤 - 表面活性劑 - 水” 三元體系為研究對(duì)象，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)闡明了非離子、陽(yáng)離子、兩性、陰離子四類表面活性劑的分散機(jī)制，并建立了分散劑理性設(shè)計(jì)的技術(shù)框架，核心成果如下：

如圖1（a）SDBS（陰離子）：疏水尾鏈向煤表面聚集，親水頭部向水相延伸，與煤表面密度曲線部分重疊，表明吸附作用顯著；（b）DTAB（陽(yáng)離子）：頭部正電荷與煤表面負(fù)電荷位點(diǎn)結(jié)合，密度峰值靠近煤表面，尾部伸入水相，形成疏水層；（c）DHSB（兩性）：陰、陽(yáng)離子基團(tuán)協(xié)同吸附，密度分布范圍更廣，體現(xiàn)廣譜煤階適配性。( 詳見DOI: 10.1016/j.colsurfa.2025.136276 )

圖 1 不同表面活性劑的煤 - 水界面分子密度分布曲線（Z 軸方向）。

DMol3 靜電勢(shì)能模擬與XPS 表征是實(shí)驗(yàn)表征與計(jì)算模擬的互補(bǔ)關(guān)系（如圖2），實(shí)驗(yàn)表征提供材料表面電子結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，靜電式能模擬是通過(guò)量子力學(xué)計(jì)算預(yù)測(cè)電子相關(guān)性質(zhì)。從而證明模擬預(yù)測(cè)的 “表面活性劑 - 煤表面相互作用” 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。(詳見DOI: 10.1016/ j.colsurfa.2025.136276)

圖2 (a)煤炭棒狀模型，(b)煤炭表面電勢(shì)分布，(c)水分子，(d)SDBS，(e)DTAB，(f)DHSB表面活性劑。

不同序列聚羧酸在水煤漿中吸附作用揭示分散劑分子結(jié)構(gòu)特征與吸附性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，指導(dǎo)分散劑分子設(shè)計(jì)（如圖3）?？深A(yù)測(cè)不同分散劑吸附后，煤表面性質(zhì)的變化差異，進(jìn)而關(guān)聯(lián)宏觀分散效果。(詳見DOI: 10.1016/j.colsurfa.2025.136874、DOI: 10.1016/j.molliq.2024.124568 )

圖 3 不同序列（隨機(jī)、嵌段、梯度結(jié)構(gòu)）聚羧酸表面活性在水煤漿中吸附前與達(dá)到吸附平衡狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

三、瓶頸突破與未來(lái)方案

針對(duì)當(dāng)前分子動(dòng)力學(xué)模擬存在的模型簡(jiǎn)化、計(jì)算成本高等局限，團(tuán)隊(duì)提出創(chuàng)新解決方案：（1）結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化力場(chǎng)參數(shù)、加速構(gòu)象采樣（如通過(guò)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)表面活性劑分散效率）；（2）融合多尺度模擬（如耗散粒子動(dòng)力學(xué) DPD）與高精度力場(chǎng)，平衡模擬效率與預(yù)測(cè)精度；（3）開發(fā) “模擬-實(shí)驗(yàn)-優(yōu)化” 閉環(huán)研究模式，通過(guò)原位表征實(shí)時(shí)驗(yàn)證模擬預(yù)測(cè)的界面結(jié)構(gòu)。

四、團(tuán)隊(duì)介紹

陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)與技術(shù)團(tuán)隊(duì)，以 “推動(dòng)清潔生產(chǎn)與污染物治理” 為目標(biāo)，圍繞膠體與界面微觀作用、生物質(zhì)資源化、環(huán)境催化材料三個(gè)方向開展研究，核心成員包括張光華、朱軍峰、張萬(wàn)斌、李俊國(guó)、張策。團(tuán)隊(duì)目前主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、陜西省自然基金面上和省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、陜西省教育廳科技項(xiàng)目、西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目、先進(jìn)高分子材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目等，榮獲得陜西省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（2018）和陜西省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)（2024）和二等獎(jiǎng)（2018）。近5年以第一作者或通訊作者在Adv. Colloid. Interfac., Chem. Eng. J., Carbohyd. Polym., J. Colloid. Interf. Sci., Int. J. Biol. Macromol.，Fuel等著名期刊發(fā)表論文 100 余篇，授權(quán)發(fā)明專利 30件，已轉(zhuǎn)讓14件，部分成果已應(yīng)用于低階煤水煤漿工業(yè)化和混凝土制造，為煤炭清潔高效利用和混凝土生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

(核稿：黃文歡 編輯：趙誠(chéng))