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研究快讯 | 压力诱导具有超高能量密度的含氖聚合氮化物

已有 202 次阅读 2022-5-19 22:44 |系统分类:论文交流

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原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 23 March 2022; 

online 23 April 2022


EXPRESS LETTER

Pressure-Driven Ne-Bearing Polynitrides with Ultrahigh Energy Density

Lulu Liu (刘璐璐), Shoutao Zhang (张守涛), and Haijun Zhang (张海军)

Chin. Phys. Lett. 2022, 39 (5): 056102


文章亮点

首次发现氖(Ne)和氮(N)可以形成系列聚合氮化合物,其中NeN22兼具稀有的主客体结构和已知爆轰材料TNT两倍以上的能量密度。

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压力诱导具有超高能量密度的含氖聚合氮化物


研究背景

当今,高能量密度材料在现代工业、民用、现代武器装备以及空间探索等领域中得到了广泛的应用。研究表明,具有氮氮单键或双键的聚合氮在转换成具有氮氮三键的氮气时,会释放巨大的能量,因此聚合氮成为新型高能量密度材料的重要候选者之一。截止目前,实验和理论研究报道大多数全氮物质需在极高压强条件下才得以被合成。为了降低聚合氮合成压力,向单质氮体系中引入其他元素,同时借助压力手段合成含氮化合物,已经成为可行途径之一。因此,寻找低合成压力和高能量密度的聚合氮化合物是当前高能量密度材料领域的研究重点


内容简介

最近,南京大学物理学院张海军教授与东北师范大学物理学院张守涛副教授合作,通过晶体结构搜索和第一性原理计算预测了几种高氮含量的氖氮化合物,并且在压力的作用下将惰性原子Ne引入氮气中可以大大降低形成聚合氮的压强。有趣的是,与以往的含氮化合物不同,提出的空间群为I4/m的NeN22拥有稀有的主客体结构,该构型由对称性为I4/mmm的客体Ne亚晶格和对称性为I4/m的宿主氮结构组成。另外,NeN22中Ne并未与N成键,而是通过弱相互作用稳定在氮框架中。并且氮框架具有平行于c轴的 “通道”,这种特殊的结构特征利于从氮框架的通道中去除Ne原子,得到宿主结构I4/m N22(命名为t-N22)。与此同时,基于t-N22移除N2二聚体可进一步获得I4/m N20 (命名为t-N20)。I4/m NeN22、t-N22及t-N20在常压和室温条件下优异的动力学稳定性和热稳定性,表明它们可以在环境条件下保留。更为重要的是,它们的能量密度约为TNT的2.5倍,并表现出优越的爆炸性能,其爆速约为TNT的3倍,爆压约为TNT的14倍


研究意义和重要性

该工作通过向纯氮体系掺入氖,实现了在较低压强下合成氖氮化合物,为获得高能量密度聚合氮材料提供了理论依据。同时通过卸压至环境压强,移除客体原子得到纯氮的方法克服了纯氮材料难以合成的困难。该研究不仅助推了性能优良的新型高能量密度材料的发现,还为研究氖的化学反应打开了新局面


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