Advanced Science:新型芳香性全氮N10分子晶体

在元素周期表中,碳和氮是相邻的元素,都具有形成单键、双键和三键的独特键合能力,这使它们都有可能形成多种分子晶体。实际上,碳元素确实形成了丰富的分子晶体,例如由芳香性六元环和五元环组成的迷人的富勒烯家族。氮元素在地球上含量非常丰富,然而,纯氮体系中实验上仅发现了只能在低温下形成的N2分子晶体。最近,有理论报道预言了纯氮体系可以形成一些非芳香性的链状分子晶体。然而,在全氮系统中尚未发现类似于碳元素体系的由芳香性多氮分子形成的分子晶体,这是氮研究领域一个非常重要的基础问题。

在氮的研究中,聚合氮作为一种突破传统概念的新型高能量密度材料引起了人们的高度关注。全氮聚合氮是超高压条件下解离分子氮而得到的新型全氮物质,由氮氮单键聚合而成,当聚合氮中氮氮单键转变为三键的氮气,可释放出巨大的能量,全氮聚合氮是目前能够得到的能量密度最高、绿色环保的高能量密度材料。相比于全氮聚合氮,全氮分子晶体包含氮氮单键和氮氮双键,在分解时也同样可以释放出大量的能量,因此全氮分子晶体的研究也将为获得全氮高能量密度材料提供一种新的来源。

该工作利用基于粒子群优化算法的晶体搜索方法,对纯氮体系进行了精细的分子晶体结构搜索与设计,预言了一类新型的全氮分子晶体,该分子晶体仅由N10分子组成,其中N10分子可看做由具有高能量密度的两个戊唑N5环共价键连而成,具有芳香性。该类分子晶体的结构与N10分子的空间构型密切相关,随着所施加的外部压力大小而改变。令人高兴的是,分子动力学模拟以及动力学稳定性分析表明这类分子晶体可以在常温常压下稳定存在,相较于以前报道的非芳香性多氮分子晶体具有更高的稳定性。在高温下的分子动力学模拟结果还显示,这类多氮分子晶体在高于500K的温度时可以释放大量的能量,而且总是先从两侧的N5环开始分解,最后生成N2气体分子,其能量密度高达5.5 kJ/g。这为我们提供了一种全新的绿色策略,即在不引入任何金属或其他客体稳定剂的情况下获得全氮、无污染的高能量密度材料。相关成果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201902320)上。

该研究成果的第一作者是河南科技大学刘世杰博士和美国加州州立大学北岭分校赵蕾博士,通讯作者为吉林大学刘冰冰教授和美国加州州立大学苗茂生教授。该工作得到了科技部重点研发专项、国家自然科学基金委重点项目等基金的资助。