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中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院實現(xiàn)常壓下合成高含能材料聚合氮

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2024-10-17 14:58:04

本報訊（記者王敏）中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員王賢龍團隊以第一性原理計算為理論依據(jù)，采用疊氮化鉀為前驅(qū)體，基于自主研建的等離子體增強化學(xué)氣相沉積裝置，成功在常壓下合成了具有類金剛石結(jié)構(gòu)的高含能立方偏轉(zhuǎn)聚合氮，為立方偏轉(zhuǎn)聚合氮的宏量制備提供了一種簡單高效的方法。相關(guān)成果日前發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

高能量密度材料是一類能夠短時間內(nèi)產(chǎn)生極大能量的物質(zhì)，廣泛用于礦業(yè)和建筑等領(lǐng)域。立方偏轉(zhuǎn)聚合氮是新型高能量密度材料的典型代表之一，但闡明立方偏轉(zhuǎn)聚合氮降壓時的失穩(wěn)機制、發(fā)展更安全高效并適用于宏量制備的合成方法，是當(dāng)前面臨的兩個關(guān)鍵科學(xué)問題。

2020年起，王賢龍團隊針對上述兩個關(guān)鍵科學(xué)問題開展攻關(guān)研究。團隊采用第一性原理方法，系統(tǒng)模擬了立方偏轉(zhuǎn)聚合氮表面在不同飽和狀態(tài)下和不同壓力及溫度下的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)降低壓力時，立方偏轉(zhuǎn)聚合氮的分解機制是表面失穩(wěn)。于是，他們提出飽和表面懸掛鍵并轉(zhuǎn)移電荷的方法，將立方偏轉(zhuǎn)聚合氮在常壓下穩(wěn)定到477℃。

在此基礎(chǔ)上，基于鉀的電負(fù)性比鈉更弱，團隊提出了采用更安全、更便宜的疊氮化鉀替代疊氮化鈉作為前驅(qū)體合成立方偏轉(zhuǎn)聚合氮的方法。第一性原理計算結(jié)果表明，鉀吸附在增強立方偏轉(zhuǎn)聚合氮表面穩(wěn)定性上遠(yuǎn)優(yōu)于鈉吸附。最終，基于自主研建的等離子體增強化學(xué)氣相沉積裝置，不借助納米限域效應(yīng)，團隊成功在常壓下合成了立方偏轉(zhuǎn)聚合氮，樣品可以保存兩個月以上。

同步熱分析測量結(jié)果表明，立方偏轉(zhuǎn)聚合氮具有488℃的熱分解溫度，與理論預(yù)測的477℃分解溫度相符合，尖銳的分解放熱峰表明其具有典型的高能量密度材料熱分解行為；激光等離子驅(qū)動微爆法測試表明，樣品的爆速有顯著提升。

研究人員認(rèn)為，由于不需要高壓或碳納米管束縛且前驅(qū)體更安全和便宜，因而該合成方法具備宏量制備和工程應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢。

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