中科院合肥物質院研究實現常壓下合成高能量密度材料聚合氮
【化工儀器網 項目成果】近年來，高能量密度材料(HEDM)因其能夠在短時間內釋放巨大能量而備受關注，廣泛應用于礦業、建筑以及新能源等領域。在這些材料中，立方偏轉聚合氮(cg-N)以其高能量密度和環保特性脫穎而出，成為新型HEDM的典型代表之一。然而，傳統的合成方法往往需要極端的高壓條件或使用劇毒、高感度的前驅體，如疊氮化鈉，這極大地限制了cg-N的實際應用。近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所的研究團隊取得了一項重大突破，成功在常壓下合成了穩定的立方偏轉聚合氮。
中國科學院合肥物質科學研究院固體所研究員王賢龍團隊以第一性原理計算為理論依據，采用疊氮化鉀為前驅體，基于自主研建的等離子體增強化學氣相沉積裝置，成功在常壓下合成了具有類金剛石結構的高含能立方偏轉聚合氮，為立方偏轉聚合氮的宏量制備提供了一種簡單高效的方法。
2020年起，王賢龍研究團隊就針對上述兩個關鍵科學問題開展攻關研究。團隊采用第一性原理方法，系統模擬了立方偏轉聚合氮表面在不同飽和狀態下和不同壓力及溫度下的穩定性，發現降低壓力時，立方偏轉聚合氮的分解機制是表面失穩。于是，他們提出飽和表面懸掛鍵并轉移電荷的方法，能將立方偏轉聚合氮在常壓下穩定到477℃。
在此基礎上，研究團隊選擇了更安全、更便宜的疊氮化鉀作為前驅體，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化學氣相沉積(CVD)裝置，團隊在不借助納米限域效應的情況下，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。
研究結果顯示，合成的cg-N具有類金剛石結構，并且表現出優異的熱穩定性。在760K(約487℃)之前，cg-N保持穩定，隨后迅速發生熱分解，表現出典型的高能量密度材料熱分解行為。這一發現與之前的理論預測相符，進一步驗證了團隊提出的合成方法的可行性。
值得一提的是，團隊還通過同步熱分析和激光等離子驅動微爆法測試，對cg-N的熱分解溫度和爆速進行了評估。結果表明，cg-N的熱分解溫度與理論預測值相符合，且爆速有顯著提升。這些結果不僅證明了cg-N作為高能量密度材料的潛力，也為后續的工程應用提供了有力的數據支持。
該研究成果不僅推動了cg-N作為高能量密度材料的實際應用，也為其他高能量密度材料的合成提供了新的思路和方法。通過優化合成條件和前驅體選擇，研究團隊有望在未來實現更多高能量密度材料的宏量制備和工程應用。
相關成果Free-standing cubic gauche nitrogen stable at 760 K under ambient pressure于近日發表于國際期刊《科學進展》。
參考來源：中國科學報
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