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Applications of Noncontact Atomic Force Microscopy in Petroleum Characterization: Opportunities and Challenges
Energy & Fuels ( IF 5.3 ) Pub Date : 2021-09-03 , DOI: 10.1021/acs.energyfuels.1c02193
Yunlong Zhang 1
Affiliation  

Despite a tremendous amount of research, molecular characterization of petroleum remains a significant scientific challenge because petroleum is an exceptionally complex molecular mixture. This paper reviews recent advances in the application of noncontact atomic force microscopy (nc-AFM) to the petroleum field. The complexity of petroleum presents a number of experimental and computational challenges to achieve the full potential of this new technique. Initial results on categorizing structures as either alternant or nonalternant polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), recognizing empirical structural patterns, quantifying the local aromaticity and bond orders, and computing the electronic structures will be presented. The effect of sample preparation in AFM and the influence of petroleum structural parameters on imaging results, such as molecular weight, thermal cracking of weak linkages, nonplanar geometries or conformations, the presence of heteroatoms, and trace amounts of free radicals will be discussed. This review also highlights the application of the AFM imaging technique, including recent results from characterizing molecules in petroleum pitch M-50. The observed predominant methyl substituents on M-50 pitch led to the design of dimethylpyrene, confirming the role of methyls in promoting molecular weight growth of aromatic hydrocarbons and revealing new insights into the polymerization mechanism. The knowledge of definitive petroleum structures may enable new reaction pathways and sustainable uses for petroleum molecules in applications such as carbon materials and infrastructures.

中文翻译:

非接触式原子力显微镜在石油表征中的应用:机遇与挑战

尽管进行了大量研究,但石油的分子表征仍然是一项重大的科学挑战,因为石油是一种异常复杂的分子混合物。本文回顾了非接触式原子力显微镜 (nc-AFM) 在石油领域的应用的最新进展。石油的复杂性提出了许多实验和计算挑战,以实现这项新技术的全部潜力。将介绍将结构分类为交替或非交替多环芳烃 (PAH)、识别经验结构模式、量化局部芳香性和键序以及计算电子结构的初步结果。AFM中样品制备的影响以及石油结构参数对成像结果的影响,例如分子量、弱键的热裂解、非平面几何形状或构象、杂原子的存在和痕量自由基。本综述还重点介绍了 AFM 成像技术的应用,包括最近表征石油沥青 M-50 中的分子的结果。在 M-50 沥青上观察到的主要甲基取代基导致了二甲基芘的设计,证实了甲基在促进芳烃分子量增长中的作用,并揭示了对聚合机制的新见解。确定石油结构的知识可以为石油分子在碳材料和基础设施等应用中开辟新的反应途径和可持续利用。杂原子的存在和痕量的自由基将被讨论。本综述还重点介绍了 AFM 成像技术的应用,包括最近表征石油沥青 M-50 中的分子的结果。在 M-50 沥青上观察到的主要甲基取代基导致了二甲基芘的设计,证实了甲基在促进芳烃分子量增长中的作用,并揭示了对聚合机制的新见解。确定石油结构的知识可以为石油分子在碳材料和基础设施等应用中开辟新的反应途径和可持续利用。杂原子的存在和痕量的自由基将被讨论。本综述还重点介绍了 AFM 成像技术的应用,包括最近表征石油沥青 M-50 中的分子的结果。在 M-50 沥青上观察到的主要甲基取代基导致了二甲基芘的设计,证实了甲基在促进芳烃分子量增长中的作用,并揭示了对聚合机制的新见解。确定石油结构的知识可以为石油分子在碳材料和基础设施等应用中开辟新的反应途径和可持续用途。包括最近表征石油沥青 M-50 中的分子的结果。在 M-50 沥青上观察到的主要甲基取代基导致了二甲基芘的设计,证实了甲基在促进芳烃分子量增长中的作用,并揭示了对聚合机制的新见解。确定石油结构的知识可以为石油分子在碳材料和基础设施等应用中开辟新的反应途径和可持续利用。包括最近表征石油沥青 M-50 中的分子的结果。在 M-50 沥青上观察到的主要甲基取代基导致了二甲基芘的设计,证实了甲基在促进芳烃分子量增长中的作用,并揭示了对聚合机制的新见解。确定石油结构的知识可以为石油分子在碳材料和基础设施等应用中开辟新的反应途径和可持续利用。
更新日期:2021-09-16
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