纳米限域富氮化合物的高压结构相变及聚合氮研究

Polymeric Nitrogen as a high density energy material is one of the most important topic in the high pressure field. This project aims to solve the fundamental scientific issue of the synthesis of polymeric nitrogen in extreme harsh condition and hard to obtain at ambient condition. We plan to employ new approach to investigate the phase transition for the nitrogen bearing materials by using diamond anvil cell and laser heating in-situ high pressure method combined with nano-confinment effect under the guidance of theoretical calculation, revealing the unique rule of phase transition confined in nano-space and also obtaining the novel polymeric phase of nitrogen and its characteristic spectroscopy. We also plan to study the stability of new polymeric nitrogen phase, finding an effective strategy to obtain the high energetic phase at ambient condition. Our project will help to develop non-traditional concept of high energy density material and its potential application in various fields.

聚合氮作为高能量密度材料是高压研究领域的重要课题之一。本项目针对聚合氮合成研究所面临的合成条件苛刻、常压难以截获的科学难题，拟从富氮体系入手，利用金刚石对顶砧和激光加热原位高压高温实验技术，采用纳米限域效应与超高压相结合的新思路，结合理论计算，开展富氮体系及其限域条件下的高压结构相变研究，得到高压结构相变规律，揭示氮的压致键合转变机制，寻找到聚合氮的温和合成途径，获得新型聚合氮及其特征谱图，探索限域聚合氮在更为宽广的压力区间内的稳定性，寻找到一条实现聚合氮常规条件截获的新途径。推动新概念高能量密度材料的发展，为国防应用奠定坚实的基础。

作为一种突破传统概念的新型高能量密度材料，聚合氮是目前能够得到的能量密度水平最高且绿色环保的含能材料。本项目针对聚合氮高压研究所面临的合成条件苛刻、常压难以截获的科学难题，提出了利用高压与限域效应相结合的研究思路，以富氮体系为氮源，利用高压实验技术，结合理论计算，研究氮源材料在高压下的相变及聚合行为，重点研究晶格限域和空间限域效应对压致聚合氮新结构及其稳定性的影响，探索聚合氮温和制备与常压截获的新途径。. 项目组发展了系列高压实验新技术，包括低温冷冻干燥技术、高压原位光谱增强技术、大腔体高温高压产生技术等，为解决本项目的科学问题了提供重要的技术支撑。利用高压与晶格限域效应相结合，合成了一系列新型聚合氮结构，包括五边形环状、一维扶手椅链状及二维平面层状聚合氮结构等，预言了全新的类金刚石N10笼状聚合氮、N-H螺旋聚合结构等高氮聚合氮结构，为制备高能量密度聚合氮材料提供了新思路；利用高压与空间限域效应结合，采用一维限域模板首次实现了压致五唑环形聚合氮材料的常温常压截获，预言了类金刚石笼状、褶皱层状、扶手椅型链状聚合氮结构可通过空间限域效稳定至常温常压条件，发现部分结构可在温和条件下释能，这为聚合氮的常规截获、存储及可控利用提供了重要指导；还利用高压和含能材料等相结合，发现了压致非晶团簇聚合而成的新结构以及新型有序-无序相变。项目已经按计划顺利完成了研究目标，在Nature、PRL、JACS等期刊上共发表SCI收录论文65篇，均已标注项目资助。这些高压研究结果为新型聚合氮的合成及稳定化研究提供了有效手段，将推动新概念高能量密度材料的应用和发展。