煤炭学报

作者：都喜东, 王小磊, 周军平, 王光进, 贾云中, 张登峰, 光文峰, 尚德磊, 侯振坤, 程玉刚,

关键词：表面粗糙度, 吸附扩散, 分子模拟, 无烟煤, CO₂地质封存,

为从微观角度研究深部煤层CO2地质封存过程中粗糙煤基质表面CO2的吸附扩散行为，揭示三维表面粗糙度对煤中CO2存储和运移过程的影响机制。首先，基于原子力显微镜(AFM)测试，获取煤中纳米孔隙表面的粗糙度数据，并结合分子模拟技术提出一种构建三维粗糙表面的新方法，构建更加接近真实的三维表面粗糙无烟煤模型，探究温度为318 K、压力0～20 MPa时，不同粗糙表面中CO2吸附扩散行为的差异性特征及其内在机理。结果表明：① 表面粗糙度对微孔中CO2吸附的影响更加显著。与光滑表面相比，粗糙表面可以扩大CO2的吸附区域(宽度为1、3和6 nm的狭缝孔分别扩大3.08倍、1.30倍和0.73倍)，增大CO2的平均密度，加快CO2的吸附速率，有利于CO2在低压下达到吸附饱和状态，且表面粗糙度可促使CO2吸附构型由平滑矩形转变为凹凸形，对CO2赋存分布特征产生显著影响。② 在表面粗糙的煤基质狭缝纳米孔体系中，凹槽空间因吸附力场的叠加效应，可形成更低能量的吸附位点，从而增强气−固与气−气相互作用，提升该区域的吸附能力。③ 表面粗糙度与CO2水平扩散系数呈负相关关系，孔径与CO2水平扩散系数呈正相关关系。④ 粗糙煤基质中CO2的吸附势能呈多峰分布，粗糙煤基质更有利于CO2的稳定吸附与存储。本研究可为更加精准地评估深部煤层CO2的封存潜力提供理论指导和科学依据，以便优化CO2的封存策略。

来源：2026年第2期

《煤炭学报》期刊编辑部

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