​[中国科学报]南京理工大学:含能材料领域重大成果登上《自然》

《中国科学报》2017-09-05 8

本报讯 近日,国际顶尖学术杂志《自然》主刊发表了南京理工大学化工学院教授陆明课题组的研究论文《系列水合五唑金属盐含能化合物》。研究成果在全氮含能物质方面取得重大突破,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。该论文为我国含能材料研究领域首次在《自然》发表的基础科学论文,标志着我国含能材料基础研究的一些研究方向处于国际前沿。

全氮含能物质是近些年发展起来的新一代含能材料,因为基本都由氮组成,这类物质爆炸产物主要是氮气,从环保角度来讲更安全绿色,不会产生有毒气体,而且氮气不易被检测,在军事上也具有低信号的优点。更重要的是,全氮结构本身亚稳定,容易分解并释放出大量的能量,因此有望提高火炸药的能量水平,实现远程高效毁伤。

陆明课题组研究首次制备了全氮五唑阴离子的钠、锰、铁、钴和镁盐水合物,通过其单晶结构,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[NaH2O)(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MnCl2FeCl2CoNO32MgCl2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[MnH2O4(N5)2]·4H2O[FeH2O4N52]·4H2O[CoH2O4N52]·4H2O,和[MgH2O6N52]·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。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,其他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,将为探索其他多种N5-配合物、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。