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中科院合肥物质院研究实现常压下合成高能量密度材料聚合氮
2024年10月11日 09:32:31
来源：化工仪器网 作者：杨 点击量：6761
中国科学院合肥物质科学研究院固体所研究员王贤龙团队以第一性原理计算为理论依据，采用叠氮化钾为前驱体，基于自主研建的等离子体增强化学气相沉积装置，成功在常压下合成了具有类金刚石结构的高含能立方偏转聚合氮，为立方偏转聚合氮的宏量制备提供了一种简单高效的方法。
【化工仪器网 项目成果】近年来，高能量密度材料(HEDM)因其能够在短时间内释放巨大能量而备受关注，广泛应用于矿业、建筑以及新能源等领域。在这些材料中，立方偏转聚合氮(cg-N)以其高能量密度和环保特性脱颖而出，成为新型HEDM的典型代表之一。然而，传统的合成方法往往需要极端的高压条件或使用剧毒、高感度的前驱体，如叠氮化钠，这极大地限制了cg-N的实际应用。近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所的研究团队取得了一项重大突破，成功在常压下合成了稳定的立方偏转聚合氮。
中国科学院合肥物质科学研究院固体所研究员王贤龙团队以第一性原理计算为理论依据，采用叠氮化钾为前驱体，基于自主研建的等离子体增强化学气相沉积装置，成功在常压下合成了具有类金刚石结构的高含能立方偏转聚合氮，为立方偏转聚合氮的宏量制备提供了一种简单高效的方法。
2020年起，王贤龙研究团队就针对上述两个关键科学问题开展攻关研究。团队采用第一性原理方法，系统模拟了立方偏转聚合氮表面在不同饱和状态下和不同压力及温度下的稳定性，发现降低压力时，立方偏转聚合氮的分解机制是表面失稳。于是，他们提出饱和表面悬挂键并转移电荷的方法，能将立方偏转聚合氮在常压下稳定到477℃。
在此基础上，研究团队选择了更安全、更便宜的叠氮化钾作为前驱体，替代了之前常用的剧毒和高感度的叠氮化钠。通过自主研建的等离子体增强化学气相沉积(CVD)装置，团队在不借助纳米限域效应的情况下，成功在常压下合成了cg-N。这一成果不仅解决了高压合成cg-N难以在常压下保持稳定的难题，而且为cg-N的宏量制备提供了一种简单高效的方法。
研究结果显示，合成的cg-N具有类金刚石结构，并且表现出优异的热稳定性。在760K(约487℃)之前，cg-N保持稳定，随后迅速发生热分解，表现出典型的高能量密度材料热分解行为。这一发现与之前的理论预测相符，进一步验证了团队提出的合成方法的可行性。
值得一提的是，团队还通过同步热分析和激光等离子驱动微爆法测试，对cg-N的热分解温度和爆速进行了评估。结果表明，cg-N的热分解温度与理论预测值相符合，且爆速有显著提升。这些结果不仅证明了cg-N作为高能量密度材料的潜力，也为后续的工程应用提供了有力的数据支持。
该研究成果不仅推动了cg-N作为高能量密度材料的实际应用，也为其他高能量密度材料的合成提供了新的思路和方法。通过优化合成条件和前驱体选择，研究团队有望在未来实现更多高能量密度材料的宏量制备和工程应用。
相关成果Free-standing cubic gauche nitrogen stable at 760 K under ambient pressure于近日发表于国际期刊《科学进展》。
参考来源：中国科学报
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