近日，我?；瘜W與化工學院應用化學與技術團隊張光華教授、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)合四川大學先進高分子材料全國重點實驗室陳寧研究員，圍繞水煤漿（CWS）清潔利用的核心技術難題，通過實驗與分子動力學（MD）模擬相結合，揭示了表面活性劑在水煤漿中的微觀分散機理，為高效、環(huán)保水煤漿分散劑的理性設計提供了全新理論框架。相關成果以 “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領域國際頂級期刊《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）。該期刊是化學工程、材料科學領域學者獲取前沿理論與技術的重要平臺，其發(fā)表的綜述類文章常被作為領域內研究的關鍵參考依據。

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、水介質及功能添加劑組成，依托我國煤炭資源稟賦優(yōu)勢，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、窯爐等領域應用潛力巨大。然而，低階煤因表面疏水性差、含氧官能團豐富、內在水分高、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、流變性差等技術瓶頸。表面活性劑雖能通過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，但學界對其在煤 - 水界面作用的微觀機制仍缺乏系統(tǒng)認知，制約了高效分散劑的開發(fā)。

分子動力學模擬技術憑借在分子水平解析動態(tài)行為與熱力學性質的獨特優(yōu)勢，成為突破這一瓶頸的關鍵工具，該技術可在原子尺度分析表面活性劑在煤表面的吸附動力學，量化關鍵參數(shù)以深化作用機制研究，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” 三元體系為研究對象，通過分子動力學模擬結合實驗驗證，系統(tǒng)闡明了非離子、陽離子、兩性、陰離子四類表面活性劑的分散機制，并建立了分散劑理性設計的技術框架，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（陽離子）：頭部正電荷與煤表面負電荷位點結合，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、陽離子基團協(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 靜電勢能模擬與XPS 表征是實驗表征與計算模擬的互補關系（如圖2），實驗表征提供材料表面電子結構的實測數(shù)據，靜電式能模擬是通過量子力學計算預測電子相關性質。從而證明模擬預測的 “表面活性劑 - 煤表面相互作用” 與實驗結果高度吻合。(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構特征與吸附性能的內在關聯(lián)，指導分散劑分子設計（如圖3）?？深A測不同分散劑吸附后，煤表面性質的變化差異，進而關聯(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、嵌段、梯度結構）聚羧酸表面活性在水煤漿中吸附前與達到吸附平衡狀態(tài)時的動態(tài)過程。

三、瓶頸突破與未來方案

針對當前分子動力學模擬存在的模型簡化、計算成本高等局限，團隊提出創(chuàng)新解決方案：（1）結合機器學習優(yōu)化力場參數(shù)、加速構象采樣（如通過圖神經網絡預測表面活性劑分散效率）；（2）融合多尺度模擬（如耗散粒子動力學 DPD）與高精度力場，平衡模擬效率與預測精度；（3）開發(fā) “模擬-實驗-優(yōu)化” 閉環(huán)研究模式，通過原位表征實時驗證模擬預測的界面結構。

四、團隊介紹

陜西科技大學化學與化工學院應用化學與技術團隊，以 “推動清潔生產與污染物治理” 為目標，圍繞膠體與界面微觀作用、生物質資源化、環(huán)境催化材料三個方向開展研究，核心成員包括張光華、朱軍峰、張萬斌、李俊國、張策。團隊目前主持國家自然科學基金面上項目、陜西省自然基金面上和省重點研發(fā)項目、陜西省教育廳科技項目、西安市科技計劃項目、先進高分子材料全國重點實驗室項目、自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室項目等，榮獲得陜西省科技進步二等獎（2018）和陜西省高等學?？茖W技術一等獎（2024）和二等獎（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，授權發(fā)明專利 30件，已轉讓14件，部分成果已應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提供技術支撐。

(核稿：黃文歡 編輯：趙誠)