高压下含氮高能材料金属叠氮化合物的结构及性质的理论研究

本项目拟利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法并结合CALYPSO晶体结构预测技术，对金属叠氮化合物（XN3，X=Li，Na，K， Rb，Cs，Ag，Pb）的高压行为进行深入、系统地理论研究。将研究纯氮在高压下的聚合氮的新相、金属叠氮化合物未知高压相变以及高压新相的结构，研究金属叠氮化合物中的叠氮根离子通过高压压致成聚合氮的相变路径、结构变化以及对应的金属离子的状态，揭示高压下具备何种共性特征的金属叠氮化合物能相变成具有氮氮单键的聚合氮，探索高压下金属叠氮化合物的多键压致成单键的物理规律、机制。本项目的研究有望降低聚合氮合成的压强，为聚合氮提供新的合成途径。

本项目利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法结合金刚石对顶砧高压实验技术，探索合成高能量密度材料—聚合氮的途径。（1）本研究首先从纯氮出发，发现了一种新奇的笼型类金刚石结构，这是一种具有宽带隙的高压下聚合氮的新相。高压除了可以使物质的结构形态发生改变，也是调节带隙的一种方式，会使带隙减小直至闭合发生从绝缘体到金属的相变。我们发现了两种聚合氮的亚稳新相，它们在450 GPa的时候转化成金属氮，这是首次在氮元素中出现了稳定的具有金属特性的结构。（2）通过纯氮在高压下获取聚合氮需要很高的能量才能打破N≡N三键。我们利用具有N=N双键的金属叠氮化合物为氮源，进而解决获取聚合氮需要超高压的问题，降低实验合成聚合氮的压强。引入的金属离子可以形成化学预压，有助于降低合成压强。与此同时，金属作为电子的给体，会释放一个电子，这也有助于提高聚合氮的稳定性，有望获得能常温常压下稳定存在的聚合氮。目前通过理论计算结合实验方法研究了LiN3、KN3、RbN3、CsN3、NH4N3、C7H7N3六种化合物在高压下的结构和性质，确定了这些叠氮化合物在0-400GPa范围内的高压相变，并发现LiN3、KN3和CsN3分别在375GPa、298GPa和51GPa形成由N-N单键构成的网格状聚合氮，聚合氮的形成压强也随着碱金属元素序数的增加而降低，获得了预期的研究成果。.本项目研究成果获得山东高等学校优秀科研成果奖一等奖1项、二等奖1项；临沂市自然科学优秀学术成果奖一等奖1项，二等奖1项；公开发表SCI论文16篇；开展国内外学术交流14次。本项目系统研究了纯氮和含氮高能材料高压合成和性质，丰富了高压下的物质结构，为聚合氮的高压合成提供了借鉴。