固體所在含能材料常壓穩定性研究方麵取得新進展

近期 ，中國科學院合肥物質院固體所計算物理與量子材料研究部在含能材料的常壓表麵穩定性研究方麵取得新進展 。研究人員利用第一性原理和分子動力學方法首次係統地研究了高能密度材料立方聚合氮（cg-N）的低指數表麵在不同表麵飽和狀態和不同壓力及溫度下的穩定性 ，發現了cg-N低壓下的失穩機製 ，提出了一種能夠使其在常壓下穩定的方法 。相關結果以 “Route to Stabilize Cubic Gauche Polynitrogen to Ambient Conditions via Surface Saturation by Hydrogen ”為題以Express Letter的形式發表在Chinese Physics Letters (Chin. Phys. Lett. 40, 086102 (2023))上 。      具有氮氮單鍵或氮氮雙鍵的聚合氮和含氮化合物作為高能密度材料具有廣闊的應用前景 ，其中高壓合成是獲得該類材料的有效方法 。理論預測的多種能在常壓下穩定的純氮聚合氮 ，一些已被成功地在高壓下合成 。cg-N是純氮聚合氮中最典型的一種 ，具有最小的合成壓力 ，且0 GPa下的聲子譜中沒有虛率 。然而 ，高壓下合成的cg-N隨著壓力的降低將逐漸分解 ，同樣的現象也出現在其它純氮聚合氮材料中 。目前高壓下合成的純氮聚合材料均不能被截獲至常壓環境 ，這阻礙了它們作為高能密度材料的應用 。因此 ，研究低壓下cg-N的分解機理並尋找其常壓環境下穩定的方法具有重要意義 。

鑒於此 ，研究人員首先探究了cg-N失穩的原因 ，發現常壓下cg-N低指數表麵在300 K的溫度時發生了結構坍塌 ，說明表麵失穩將導致其在低壓下分解 。進一步研究表明 ，常壓下氫吸附能夠將cg-N的表麵穩定到750 K以上（圖1） ，但羥基吸附不能增加表麵的穩定性 。這是由於氫不但飽和了懸掛鍵 ，而且向氮表麵轉移了電子 ，但羥基卻從氮表麵獲得電子（圖2） 。該工作為截獲高壓合成的聚合氮提供了一種新思路 ，表明酸性環境和電負性弱的材料有利於提高cg-N和其它含氮聚合物的穩定性 ，對推動聚合氮的常壓合成和實際應用具有重要意義 ，同時也為截獲其它功能材料的高壓相提供了有效指導 。

固體所博士生陳果和牛草萍為論文的共同第一作者 ，王賢龍研究員為通訊作者 ，研究得到了合肥物質科學研究院院長基金等項目的資助 。

全文鏈接 ：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/40/8/086102

圖1. (a) 氫飽和表麵在結構坍塌前（藍線）後（紅線）溫度下的分子動力學均方位移 ；(b) 純淨表麵和氫飽和表麵在結構弛豫和有限溫度下（最高達1000 K）的分子動力學模擬中的穩定性 ，雷達圖不同的環表示不同的不穩定性 ，更外側的環是更穩定的 ，r-(110c) 表示具有表麵重構的110c表麵 。

圖2. (a)和(b)分別展示了氫吸附的111a表麵和羥基吸附的111a表麵的電荷密度差 。圖中的曲線沿晶體結構（如插圖所示）的 z 方向繪製 ，紅線所示的局部積分曲線表示獲得（正值）和失去（負值）電子 ，藍線所示的積分曲線是紅線的積分 。