碳洋葱, 也称为洋葱状富勒烯、碳纳米洋葱、洋葱状碳、巴基洋葱, 是由若干层同心球状的石墨壳层嵌套而成。因它们与洋葱具有类似的同心多层结构而命名(图1)。碳洋葱可视为多壳巨型富勒烯, 是富勒烯家族中的一员。碳洋葱独特的结构, 使其具有优异的电子、光学、电磁和摩擦学性能, 可广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车、生物医药、环境修复和化工等行业。
在实验室中通过不同途径制备碳洋葱早已屡见不鲜, 由此引起了人们在不同地质环境中寻找天然碳洋葱的浓厚兴趣。然而, 迄今为止天然碳洋葱仅见于地球上的零星地质样品: 碳质球粒陨石、烟煤、硅质热液脉体、过成熟页岩、冲击金刚石、桑加岩和富碳变质沉积岩。此外, 富碳变质沉积岩、煤层和桑加岩中天然碳洋葱的形成机制尚不清楚。
图1 理想的碳洋葱结构模型(a)及洋葱切面(b)
近日, 《中国科学: 地球科学》(中、英文版)发表了中国矿业大学资源与地球科学学院地质系陈义林副教授、秦勇教授、李久庆博士、李壮福副教授、杨天宇硕士生和同济大学海洋地质国家重点实验室连尔刚博士后的一项研究成果。该研究团队在采自福建永安煤田二叠系含煤地层的岩浆热变质煤中鉴定出天然碳洋葱, 并且发现了迄今为止地球上最大的天然碳洋葱(外径长达55nm)。
永安煤田二叠系含煤地层中广泛分布花岗斑岩侵入体和石英热液脉体, 采集的构造煤样中裂隙和摩擦镜面极其发育, 镜质体最大反射率值介于4.0~9.5%。煤中天然碳洋葱有单核或多核(图2), 具有24~46个石墨壳层, 外径范围为24~55nm; 其外径、石墨壳层数量与镜质体最大反射率之间呈显著正相关性(图3), 指示碳洋葱是岩浆侵入导致的煤变质过程中形成的次生产物。该研究团队认为岩浆热变质煤中的天然碳洋葱是化学气相沉积成因。
图2 永安煤田二叠系煤样的HRTEM图像显示具有单核(a–c)和多核(d–f)结构的天然碳洋葱
图3 煤变质程度(Ro, max)与煤层中天然碳洋葱的外径、石墨壳层数量的相关性
研究人员还发现了大量石墨状热解碳充填在煤岩裂隙或孔洞中(图4), 这些热解碳是在侵入体导致的煤高温结焦过程中气相沉积而成的新生组分。因此, 该研究团队推测化学气相沉积合成的天然碳洋葱类似于热解碳, 优先充填裂隙或孔洞。这可能是永安煤田岩浆热变质煤中天然碳洋葱分布不均的主要原因。
图4 永安煤田二叠纪煤样裂隙或空洞中充填石墨状热解碳的显微照片
该研究得到国家自然科学基金项目(批准号: 42130802、41972176)和江苏高校优势学科建设工程项目资助。
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