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研究快讯 | 通过 H 的表面饱和实现cg-N在环境条件下的稳定存在
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EXPRESS LETTER
Route to Stabilize Cubic Gauche Polynitrogen to Ambient Conditions via Surface Saturation by Hydrogen
Guo Chen (陈果), Caoping Niu (牛草萍), Wenming Xia (夏文明), Jie Zhang (张洁), Zhi Zeng (曾雉), and Xianlong Wang (王贤龙)
Chin. Phys. Lett. 2023 40 (8): 086102
DOI: 10.1088/0256-307X/40/8/086102
文章亮点
利用第一性原理方法和分子动力学方法首次系统研究了高能密度材料cg-N表面在不同饱和状态下和不同压力及温度下的稳定性，发现了cg-N在低压下的失稳机制，提出了一种能够使其在常压下稳定的策略。
左上：吸附H的不同表面在分解前后有限温度下的均方位移 (MSD)。右上：吸附 H以及自由表面在不同温度下的稳定性。左下：111a-H 表面的电荷密度差图 (EDD)。右下：111a-OH 表面的 EDD。
通过 H 的表面饱和实现cg-N在环境条件下的稳定存在
研究背景
含氮氮单键或氮氮双键的聚合氮和含氮化合物作为高能密度材料在国防和能源等领域具有广阔的应用前景。高压是合成该类材料的有效方法。理论预测了多种能在常压下稳定的纯氮聚合氮，其中一些已被成功地在高压下合成。因具有最小的合成压力且0 GPa的声子谱中没有虚率，cg-N是其中最典型的一种。然而，高压下合成的cg-N随着压力的降低将逐渐分解，同样的现象也出现在其他纯氮聚合氮材料中，如LP-N、HLP-N和BP-N。目前没有一种高压下合成的纯氮聚合材料能够被截获至常压环境，这阻碍了它们作为高能密度材料的应用。因此，研究低压下cg-N的分解机理并寻找其环境条件下稳定的方法具有重要意义。
内容简介
最近，中国科学院合肥院固体物理研究所王贤龙研究员课题组基于cg-N表面在不同压力和温度下的稳定性模拟，指出低压下cg-N的分解是由表面失稳导致的，提出利用H饱和能够使其在常压下稳定。氢饱和能够在常压下将cg-N的表面稳定到至少750 K，这是因为氢不但饱和了表面悬挂键，而且能够向表面转移电子。而OH因为从表面获得电子，所以OH饱和不能提高表面稳定性。
研究意义和重要性
该工作为截获高压合成的聚合氮提供了一种新思路，表明酸性环境和电负性弱的材料有利于提高cg-N和其他含氮聚合物的稳定性，对推动聚合氮的常压合成和实际应用具有重要意义，同时也为截获其它功能材料的高压相提供了有效指导。
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