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研究快讯 | 碳纳米管中的氮纳米管

已有 1025 次阅读 2022-2-8 22:36 |系统分类:论文交流

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原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 22 December 2021; 

online 3 February 2022


EXPRESS LETTER

High Energy Density Polymeric Nitrogen Nanotubes inside Carbon Nanotubes

Chi Ding (丁驰), Junjie Wang (王俊杰), Yu Han (韩瑜), Jianan Yuan (袁嘉男), Hao Gao (高豪), and Jian Sun (孙建)

Chin. Phys. Lett. 2022, 39 (3): 036101

文章亮点

发展了受限空间中的结构搜索新方法,提出用受限空间(如碳纳米管、多孔材料等)来降低高压合成材料的压强,帮助样品保留到常压;并用新发展的方法预言可以通过较低压强在碳纳米管中把聚合氮稳定下来,形成碳纳米管中的氮纳米管复合结构,其能量密度接近TNT炸药的两倍。本文提出的受限空间合成新材料的方法有望降低高压合成难度,并助力发现更多的新材料。


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图一:(a)受限空间中的结构搜索流程图,(b) 构建的束缚势场,(c) 结构搜索中的构型示例,(d) 发现的三种聚合氮构型。



碳纳米管中的氮纳米管


研究背景

受益于氮氮单键和三键之间巨大的能量差以及氮分子良好的化学稳定性,含氮物质被公认为是一种理想的高能量密度材料。然而由氮氮单键构成的纯氮聚合材料合成条件极为苛刻,需要极高的温压条件,实验上尚未有可以降到常压的纯氮聚合材料。人们普遍采用含氮化合物作为代替,但是含氮量的减少会降低材料的能量密度。因此寻找和合成含氮量高的高能量密度材料是一个长期备受关注的课题。近来,碳纳米管材料由于具有丰富的晶体构型以及良好的稳定性和抗拉伸强度,可以考虑被用作保护准一维结构的容器。虽然目前纯氮聚合材料不能在常压下稳定,但很可能在受到周围碳管的束缚后稳定下来


内容简介

近日,南京大学物理学院孙建教授课题组发展了受限空间中的结构搜索新方法,通过构建束缚势降低计算量,并用其找到了几种能够在碳纳米管中稳定的纯氮聚合相,包括两种管状的聚合氮结构和一种由氮五环组成的链状结构。他们发现和之前预言的zigzag和armchair型的氮链相比,如果沿着碳管的轴向对氮管施加作用力,这些新发现的氮管的焓值在4 GPa左右会变得更低。而且和之前发现的氮链不同,碳管和氮管之间的电荷转移并不是很强烈,其稳定机制主要来自于碳氮原子靠近后强大的库伦排斥力,因此只有固定尺寸的碳纳米管才能稳定住这些结构。他们随后仔细确认了温度对于氮纳米管稳定性的影响,发现这些氮管可以稳定到至少400 K以上,因此可以室温保存。他们还发现,受限的氮管全部由氮氮单键组成,因此具有很高的能量密度,接近TNT炸药的两倍

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图二:各种相关材料的能量密度。总的能量密度可以分为聚合氮的分解能(E1),碳管的形变能(E2),以及碳管和聚合氮的结合能(E3)。


研究意义和重要性

本文的理论预言为在受限空间中合成新材料,特别是高压合成新材料提供了一种新思路。碳管的束缚降低了氮聚合的压强,并帮助克服了纯聚合氮材料不能保留到常压的困难。本文预言碳管氮管复合系统的能量密度接近TNT炸药的两倍,并且随着碳管直径的增大,能够容纳的氮原子更多,含氮量也会增加,其能量密度有望进一步提升。另外,本工作中提出的构建束缚势场然后进行结构搜索的方法有望在受限体系和低维系统的结构预测和材料设计中发挥重要作用


本文第一作者是南京大学物理学院博士生丁驰,通讯作者是孙建教授。该项研究得到了南京微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室的支持,得到了国家自然科学基金委杰出青年基金、中央高校基本业务费等经费的支持。计算工作主要在南京微结构协同创新中心高性能计算中心、南京大学高性能计算中心的超级计算机上进行。


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