富氮杂环配体构筑稳定的含能型金属-有机框架材料

advs201500150-gra-0001-m火药是中国古代的四大发明,这一发明使中国成为最早使用含能材料的国家。早期的含能材料被广泛用作烟花中的烟火药和早期的火药武器的发射药。时至今日,炸药不仅在军事上广泛使用, 在工业上也广泛应用于采矿、筑路、兴修水利、工程爆破、金属加工等方面。含能材料作为能量载体,必须具备高能量密度、低感度以及绿色环保的要求。目前含能材料中能量与稳定性之间存在固有的矛盾:含能材料的能量高,其稳定性相对比较低。寻求高能量、高密度、低感度、绿色环保的新型含能材料是该领域的一个重要研究方向。金属-有机框架材料(MOFs)是结构化学、材料化学、有机化学以及晶体工程等学科结合的产物,近年来又不断向生物化学、医药化学以及绿色化学等领域不断延伸,已经成为材料科学研究增长最快的领域之一。MOFs材料的快速发展为含能材料的创新发展提供了技术支撑。通过预先定向设计,将含能化合物引入到MOFs中,在保留材料本身孔特性的同时,还赋予MOFs材料更多的功能性。此外,MOFs材料的多孔开放性和结构可控性也为提高含能材料的爆轰性能与安全性能,突破原有炸药的能量瓶颈,制备低感度材料等提供新的设计思路。同时,从MOFs结构中可获得含能材料分子几何构型、能量性质、成键性质等方面的微观数据,实现材料从微观到宏观性能调控。含能MOFs材料有希望成为含能材料今后研究的一个新的技术领域。

南京师范大学兰亚乾教授、东北师范大学苏忠民教授与北京理工大学庞思平教授在含能型金属-有机框架材料方面进行了深入的研究。设计合成含氮量高达75.1%的多氮杂环含能有机配体(分子中存在具有类似苯环的大π键,热稳定性好,同时具有低感度),并与环保廉价无公害的金属离子制备了一种性能优良的含能多孔MOF材料,在保留MOF材料本身特性的条件下,实现了高能量低感度的目标,并增强了其爆轰性能,为含能材料模块化设计提供了新思路。制备的含能型多孔MOF材料对撞击、摩擦、静电均不敏感,且具有高含氮低碳氢等特点,分解产物多为清洁的氮气,是一种新型绿色钝感含能材料。同时多孔MOF材料的构筑使含能有机化合物的计算爆热得到大幅度的提高,是其配体的5倍,也远高于TNT、CL-20等传统含能材料。

相关研究工作于近日发表在Advanced Science上(Advanced Science, 2015, DOI: 10.1002/advs.201500150)