我校在含能材料领域取得重大成果相关论文发表在国际顶尖期刊《自然》上

828日,国际顶尖学术杂志《自然》(Nature,IF40.14)主刊发表了我校化工学院陆明教授课题组的研究论文: A series of energetic metal pentazolate hydrates(系列水合五唑金属盐含能化合物。Nature2017DOI10.1038/nature23662),(论文作者:共同第一作者博士研究生许元刚和王乾,申程、林秋汉以及共同通讯作者陆明教授和王鹏程副教授)。该论文为我国含能材料研究领域首次在(Nature)发表基础科学论文,标志了我国含能材料基础研究的一些研究方向处于国际前沿;也是南京理工大学作为唯一完成单位首次在(Nature)主刊发表论文,是我校在含能材料领域取得的重大科研成果。

据介绍,该研究制备了全氮五唑阴离子的钠、锰、铁、钴和镁盐水合物,通过它们的单晶结构,首次系统地揭示了全氮五唑阴离子与金属阳离子的相互配位作用、与水的氢键作用,以及热稳定性规律,为研究全氮五唑阴离子与全氮阳离子组装,形成离子型全氮化合物材料,奠定了有力的科学基础支撑。研究对于推动氮化学和超高能含能材料的发展,提升改善制约我国武器装备整体性能的火炸药能量水平,具有非常重要的科学意义。

研究通过氧化切断芳基五唑的C-N键,得到了稳定的白色固体粉末NaN5水合物,重结晶得到[Na(H2O)(N5)]2H2O,用高分辨质谱和15N核磁表征确证其结构。分别通过NaN5水合物与MnCl2, FeCl2, Co(NO3)2, MgCl2之间的离子交换反应,得到相应的化合物粗品,经重结晶后分别得到[Mn(H2O)4(N5)2]4H2O, [Fe(H2O)4(N5)2]4H2O, [Co(H2O)4(N5)2]4H2O,  [Mg(H2O)6(N5)2]4H2O,通过单晶X-射线衍射分析,确认了5个化合物的晶体结构。其合成过程和晶体结构见下图


通过研究还发现,N5-离子可以通过离子或共价相互作用与金属阳离子配位,与水的氢键相互作用来稳定。该系列含能的金属-N5-配合物,除了五唑钴配合物外,其它4个五唑金属配合物具有分解温度高于100℃的良好热稳定性。鉴于其稳定性和能量特性,五唑金属配合物可以作为一类潜在的、新的高能量密度材料,或能用来开发仅由氮元素组成的超高能全氮材料。N5-离子在其键合相互作用方面的适应性,将为探索其它多种N5-配合物,例如新型金属茂的氮基类似物,非金属元素稳定的N5-配合物,以及高氮含能材料,提供科学依据和理论支撑。

据了解,陆明教授课题组长期从事全氮化合物、多氮化合物和耐热钝感高能化合物合成,以及药物中间体合成工艺和有机绿色化学研究;该课题组主持承担了含能材料相关领域的国家自然科学基金5项,以及多项预研项目的研究工作。陆明教授先后ScienceJournal of Materials Chemistry AChemical CommunicationsGreen Chemistry等国际重要学术期刊发表论文200余篇,其中180余篇被SCIEI收录;出版炸药分子与配方设计、工业炸药配方设计、表面活性剂及其应用技术等中英文著作8部。

此外,本论文的研究工作得到国家自然科学基金项目(U153010151374131 11076017)的资助,同时也得到国家其它相关专项研究经费的大力支持。该论文3位审稿人为国际著名含能材料资深专家K. Christe (University of Southern California)T. Klapötke (Ludwig-Maximilians-Universität München)H. Oestmark (Swedish Defence Research Agency, Stockholm)