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合肥研究院在高能量密度材料聚合氮研究方面獲進(jìn)展

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月29日 01:41

中國(guó)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(tuán)隊(duì)以第一性原理計(jì)算為理論依據(jù)，以疊氮化鉀為前驅(qū)體，基于自主研建的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置，在常壓下合成了具有類(lèi)金剛石結(jié)構(gòu)的高含能立方偏轉(zhuǎn)聚合氮，為立方聚合氮的宏量制備提供了簡(jiǎn)單高效的方法。相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。???

高能量密度材料是在短時(shí)間內(nèi)能夠產(chǎn)生極大能量的物質(zhì)，通常應(yīng)用于礦業(yè)和建筑等領(lǐng)域。由于氮的N-N單鍵與氮?dú)夥肿拥腘≡N三鍵存在能量差且釋放能量后的產(chǎn)物是氮?dú)?，具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)，因此立方偏轉(zhuǎn)聚合氮是新型高能量密度材料之一。

2004年以來(lái)，雖然已有高壓下合成立方偏轉(zhuǎn)聚合氮的相關(guān)研究，但無(wú)法將高壓合成的立方偏轉(zhuǎn)聚合氮截獲到常壓，且降壓過(guò)程的分解機(jī)制尚不明確。2017年，有研究采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，以劇毒和高感度的疊氮化鈉為前驅(qū)體，在常壓下合成出痕量級(jí)的立方偏轉(zhuǎn)聚合氮。然而，這需要通過(guò)碳納米管限域效應(yīng)提升轉(zhuǎn)換率。而碳納米管包裹和有效成分少等問(wèn)題，制約了立方偏轉(zhuǎn)聚合氮的熱穩(wěn)定性、熱分解和爆轟性質(zhì)的研究。因此，闡明立方偏轉(zhuǎn)聚合氮降壓時(shí)的失穩(wěn)機(jī)制以及發(fā)展更安全高效并可應(yīng)用于宏量制備的合成方法是重要的科學(xué)問(wèn)題。

該團(tuán)隊(duì)自2020年起針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展了研究。科研人員采用第一性原理方法模擬了立方偏轉(zhuǎn)聚合氮表面在不同飽和狀態(tài)、不同壓力及溫度下的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)了降低壓力時(shí)立方偏轉(zhuǎn)聚合氮的分解機(jī)制是表面失穩(wěn)，提出了能夠?qū)⒘⒎狡D(zhuǎn)聚合氮在常壓下穩(wěn)定在477℃的飽和表面懸掛鍵并轉(zhuǎn)移電荷的方法。

基于鉀的電負(fù)性比鈉更弱這一原因，該研究采用比疊氮化鈉更安全、經(jīng)濟(jì)的疊氮化鉀作為前驅(qū)體來(lái)合成立方偏轉(zhuǎn)聚合氮。研究發(fā)現(xiàn)，鉀吸附在增強(qiáng)立方偏轉(zhuǎn)聚合氮表面的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于鈉吸附。該團(tuán)隊(duì)基于自主研建的等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置，在常壓下合成了立方偏轉(zhuǎn)聚合氮。研究顯示，樣品可以保存2個(gè)月以上。由于不需要高壓或碳納米管束縛且前驅(qū)體更安全、經(jīng)濟(jì)，因而這一合成方法具備宏量制備和工程應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、合肥研究院院長(zhǎng)基金的支持。

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