学术干货 | NMR原理及其在能源研究中的应用

核磁共振技术在科研过程中起着重要作用，本文将简单介绍其原理和在能源领域中的应用。

图1 实验室用AniMR-150核磁共振仪

1 核磁共振原理

我们知道原子核都可以自旋，根据自旋量子数将原子核大致分为3类：一种是自旋量子数为0的原子核，经过实验证明，此类原子核没有自旋现象，不能产生磁矩；一种是自旋量子数大于等于1的，这种原子核核电分布可以看成一个椭圆体，共振吸收会产生很复杂的情况，应用较少；另一种是自旋量子数为1/2的原子核，常见的有1H、19F、31P、13C等，其核电分布可以看成一个电荷均匀的球体，旋转即产生磁矩。目前这些原子核常用于核磁共振研究中。

下面以氢核为例进行介绍。

由于带电核的旋转，会产生一个微小的磁场，一般而言，自旋杂乱无章，但若将其置于较强磁场中，其必定沿着磁场的方向重新排列，当核的自旋轴偏离了外加磁场的方向时，核自旋产生的磁场即会与外磁场相互作用，使原子核除了自旋之外，还会沿着圆锥形的侧面围绕原来的轴摆动，（类似于陀螺的摆动），这种运动方式称为进动。自旋核角速度ω₀，外加磁场磁感应强度B₀和进动频率ν₀满足关系：

ω₀=2πν₀=γB₀

氢核置于外加磁场中会产生两种取向，分别是m=1/2和m=-1/2，前者取向与磁场方向相同，后者与磁场方向相反，故前者能量较低，能量差为：

ΔE=2μB₀

此时如果存在一个射频场，频率等于进动频率，则原子核就会与之发生共振，吸收能量使核跃迁到较高能态，这种现象就是核磁共振。由于不同原子核发生共振的频率各不相同，因而可利用这些差距来鉴别各种元素和同位素。这里需要注意的是，高能态的原子核会通过弛豫过程回复到低能态，从而可以保持共振吸收峰有稳定的信号。

图2 原子核的进动及取向

2 在能源领域应用

与其他类型的分析仪器相比，核磁共振设备最大的优点即在于无损检测，同时迅速的分析物质的化学/结构信息，因此其应用面广泛。主要应用在煤炭、石油领域，近年来固体NMR技术也已被广泛应用于电化学储能体系。

2.1 煤炭

NMR技术在煤炭化学组成和物理形态分析中发挥着越来越重要的作用。其主要优势在于检测对象的状态几乎不受限制，可以是原煤或经过加工处理的煤炭，也可以是煤炭的气化、热解或液化产物，由于其非接触式快速测量的特点，煤炭化工过程不同阶段的中间产物也可以检测。

在煤炭检测使用到的NMR技术方法主要有2种：液体NMR和固体NMR。其中，液体NMR主要是液体1H-NMR谱、13C-NMR谱、多脉冲序列如DEPT技术（无畸变极化转移增强法)、液体二维谱等等。固体NMR主要包括交叉极化(CP)、高功率质子去耦、魔角旋转(MAS)、偶极去相(DD)、固体二维谱等。

NMR在煤炭中的应用主要分为两大类：一是分析煤炭组成，如芳香族、脂环族物质含量分析，液化产物的色谱和NMR分析，加氢产物分析，煤炭和沥青碳化初期组成变化的高温1H-NMR分析，酚类分析，煤炭低温氧化特征分析等；二是煤炭的热解产物实时监测，如观测热解过程中脂肪碳和芳香碳相对含量的变化，分析煤炭中不同种类的官能团等。另外，它还是目前唯一一种可以同时测定含水率和煤样孔隙结构的测试方法。

2.2 石油

NMR技术于20世纪末开始应用于石油地质研究。如今应用范围涉及到石油地质、石油测井、石油化工等领域。

在地质勘探领域中，主要使用傅里叶核磁变换共振波谱仪以及多脉冲电磁分辨谱等设备。主要应用包括：分类干酪根、确定有机质成熟度、评价生油浅量等。

在测井领域，主要利用核磁测井技术。基本原理是在井中放置一块磁体，发射等于该均匀极化区域氢核的核磁共振频率，接受氢核在退激过程中的衰减信号，利用油与水弛豫时间的差别来检验油层。使用该技术可以克服以体积模型为基础的传统方法受井眼，岩性及地层水矿化度影响的缺陷，解决油气藏的储层评价和油气识别问题。使用平均结构信息来评估原油总体特性也有助于石油工业的生产。

由于油气水在核磁共振特性上差异巨大，在储层物性上，可以用核磁测井技术评价孔隙度，渗透率及饱和度。在储层流体识别方面，可以利用油气水的纵向弛豫时间和扩散系数的差异识别三者，对于低阻油层等电阻率测井传统方法识别有困难的储层很实用。另外，核磁共振录井参数中包含了油气含量和产出能力等信息，可以为试油层位的确定提供资料，为钻井施工设计提供参考的地层压力梯度和破裂压力梯度。

在石油化工领域，可以使用核磁共振技术分析原油的各个馏分段，比如柴油组分、减压馏分、渣油的化学组成与结构等。具体说来，利用¹³C-NMR谱分析原油烃类含量。根据烃类组成可以将原油有效分类。对于燃料油，可以直接测定其中某些组分的含量、测定结构参数并寻找其余油品性质的关系；对于蜡油和重油，可以定性定量地反映出碳氢及杂原子所处的化学环境。

2.3 锂/钠离子电池材料

锂/钠离子电池材料局域结构是影响材料循环性能和倍率性能的重要因素。固体核磁共振技术、XAS和对密度分布函数是常用的表征材料局域结构的办法。其中，固体NMR技术由于无损，定量，原位的优点，十分有效便利。在电池材料NMR研究中常用试验方法如表1所示。

表1 电池材料NMR研究常用研究方法

2.4 光催化分解水

自从1972年Fujishima 等人首次发现使用紫外光照射TiO₂电极可以分解水产生H₂以来，开发廉价实用的新型催化剂一直是实现太阳能分解水高效利用的关键因素。近年来众多研究者使用STM、FTIR、TPD、DFT等手段研究分解水的微观过程，但其测试条件过于理想化，与实际存在较大差距。核磁共振技术可实现原位无损检测且可以准确鉴定未知化合物结构，因此在微观反应过程研究中有一定优势。

图3 核磁原位检测光催化分解水制氢反应示意图

3 小结

核磁共振具有快速、准确、无损的特点，在能源领域应用广泛。目前在传统能源领域如石油、煤炭领域的勘探、原位检测上有很多应用。在新能源领域，如锂离子电池、光催化上，由于对材料局域结构的表征，也正在扩大应用，未来可能会有更多的应用。

参考文献

[1] 朱明华. 仪器分析[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007.

[2] 王秀梅. 沸石分子筛上低碳烷烃及一氧化碳活化与转化机理的固体核磁共振研究[D]. 武汉: 中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所), 2013.

[3] 张旭. 基于低场～1H核磁共振的锡盟褐煤水分形态实验研究[D].杭州: 浙江大学, 2016.

[4] 黄少凯. 核磁共振技术在煤炭结构分析中的应用研究[A]. 中国物理学会波谱专业委员会. 第十七届全国波谱学学术会议论文摘要集[C].中国物理学会波谱专业委员会, 2012.

[5] 赵常俊, 吴乐乐. 核磁共振技术在石油行业中的应用[J]. 山东化工, 2016, 45(03): 86-89.

[6] 程华国. 石油工程中的核磁共振技术[J]. 核电子学与探测技术, 2007, (05): 890-894.

[7] 王京, 黄蔚霞, 王永峰, 刘冬云. 核磁共振分析技术在石化领域中的应用[J]. 波谱学杂志, 2004, (04): 527-534.

[8] 钟贵明, 刘子庚, 王大为, 李琦, 傅日强, 杨勇. 锂/钠离子电池材料的固体核磁共振研究进展[J]. 电化学, 2016, 22(03): 231-243.

本文由材料人编辑部学术干货组Eric供稿，材料牛编辑整理。

学术干货致力于成为广大材料人读者高效获取知识的途径，为了更贴合大众知识需求，现向大家征集干货写作方向。如果你想了解哪个领域的知识，某个软件的应用或者任何有趣的想法和思维方向，请在微信下方留言板留言，我们会收集并推出大家需求的学术干货，有建设性的意见或者想法一经采纳，我们将提供神秘奖励。快快留言吧！！

材料人网向各大团队诚心约稿，课题组最新成果、方向总结、团队访谈、实验技能等皆可投稿，请联系：邮箱tougao@cailiaoren.com 或 QQ：97482208。

材料人重磅推出材料测试及数据分析解决方案，如有需求，欢迎扫码提交需求，或直接联系微信号：iceshigu