中科院合肥物質(zhì)院研究實(shí)現(xiàn)常壓下合成高能量密度材料聚合氮
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】近年來，高能量密度材料(HEDM)因其能夠在短時(shí)間內(nèi)釋放巨大能量而備受關(guān)注，廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、建筑以及新能源等領(lǐng)域。在這些材料中，立方偏轉(zhuǎn)聚合氮(cg-N)以其高能量密度和環(huán)保特性脫穎而出，成為新型HEDM的典型代表之一。然而，傳統(tǒng)的合成方法往往需要極端的高壓條件或使用劇毒、高感度的前驅(qū)體，如疊氮化鈉，這極大地限制了cg-N的實(shí)際應(yīng)用。近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)取得了一項(xiàng)重大突破，成功在常壓下合成了穩(wěn)定的立方偏轉(zhuǎn)聚合氮。
中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體所研究員王賢龍團(tuán)隊(duì)以第一性原理計(jì)算為理論依據(jù)，采用疊氮化鉀為前驅(qū)體，基于自主研建的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置，成功在常壓下合成了具有類金剛石結(jié)構(gòu)的高含能立方偏轉(zhuǎn)聚合氮，為立方偏轉(zhuǎn)聚合氮的宏量制備提供了一種簡單高效的方法。
2020年起，王賢龍研究團(tuán)隊(duì)就針對(duì)上述兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題開展攻關(guān)研究。團(tuán)隊(duì)采用第一性原理方法，系統(tǒng)模擬了立方偏轉(zhuǎn)聚合氮表面在不同飽和狀態(tài)下和不同壓力及溫度下的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)降低壓力時(shí)，立方偏轉(zhuǎn)聚合氮的分解機(jī)制是表面失穩(wěn)。于是，他們提出飽和表面懸掛鍵并轉(zhuǎn)移電荷的方法，能將立方偏轉(zhuǎn)聚合氮在常壓下穩(wěn)定到477℃。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)選擇了更安全、更便宜的疊氮化鉀作為前驅(qū)體，替代了之前常用的劇毒和高感度的疊氮化鈉。通過自主研建的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(CVD)裝置，團(tuán)隊(duì)在不借助納米限域效應(yīng)的情況下，成功在常壓下合成了cg-N。這一成果不僅解決了高壓合成cg-N難以在常壓下保持穩(wěn)定的難題，而且為cg-N的宏量制備提供了一種簡單高效的方法。
研究結(jié)果顯示，合成的cg-N具有類金剛石結(jié)構(gòu)，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。在760K(約487℃)之前，cg-N保持穩(wěn)定，隨后迅速發(fā)生熱分解，表現(xiàn)出典型的高能量密度材料熱分解行為。這一發(fā)現(xiàn)與之前的理論預(yù)測相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了團(tuán)隊(duì)提出的合成方法的可行性。
值得一提的是，團(tuán)隊(duì)還通過同步熱分析和激光等離子驅(qū)動(dòng)微爆法測試，對(duì)cg-N的熱分解溫度和爆速進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，cg-N的熱分解溫度與理論預(yù)測值相符合，且爆速有顯著提升。這些結(jié)果不僅證明了cg-N作為高能量密度材料的潛力，也為后續(xù)的工程應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支持。
該研究成果不僅推動(dòng)了cg-N作為高能量密度材料的實(shí)際應(yīng)用，也為其他高能量密度材料的合成提供了新的思路和方法。通過優(yōu)化合成條件和前驅(qū)體選擇，研究團(tuán)隊(duì)有望在未來實(shí)現(xiàn)更多高能量密度材料的宏量制備和工程應(yīng)用。
相關(guān)成果Free-standing cubic gauche nitrogen stable at 760 K under ambient pressure于近日發(fā)表于國際期刊《科學(xué)進(jìn)展》。
參考來源：中國科學(xué)報(bào)
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