中国科学院物理研究所在聚合氮材料制备方面取得重大突破

中国科学院物理研究所在聚合氮材料制备方面取得重大突破

颠覆性含能材料是能量密度比常规含能材料高一个量级以上的新型高能量密度物质，是含能材料研究的前沿和难点。其中，聚合氮化合物是这类材料的典型代表之一。氮气分子由N≡N三键组成，键能约为946kJ/mol，是储存最强化学能的双原子分子之一。理论预测，氮分子在高压下可转化为N-N单键组成的具有类金刚石立方偏转结构的原子晶体，即聚合氮（简称cg-N）。由于N-N单键和N≡N三键之间巨大的键能差，当聚合氮转化为氮气时将释放巨大能量，因此聚合氮成为物理和材料科学战略性基础材料的重要研究对象。

中国科学院物理研究所高压团队从上世纪九十年代起，就开展了氮的物理压缩技术研究，探索氮随压力的结构演变。2005年，德国马普所的科学家首次在100万级高压和1000℃高温条件下制备出类金刚石结构的原子氮聚合物，但这种聚合氮只能在高压条件下维持，无法在常压条件下回收。如何在常压条件下制备聚合氮，成为新兴含能材料领域长期面临的重大挑战。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室靳常青团队在这一领域取得了重要突破。该团队长期致力于高压极端条件下新兴高能量密度含能材料的研究，自主研发了具有自主知识产权的高压、变温、强场综合极端条件材料先进实验装置，可实现低温流体原料封装、高压聚合化制备及多变量耦合的材料生长和表征。通过创新性地采用物理化学结合的“一锅法”聚合技术方案，团队成功制备了常压条件下可稳定回收的具有立方构型的原子氮键合聚合物。高分辨拉曼光谱表征结果显示，该材料具有cg-N的指纹振动谱，标志着N-N单键组成的cg-N材料的成功实现。

这一研究成果以“A facile route to synthesize cubic gauche polymeric nitrogen”为题发表在Science Bulletin上，研究生陈润滕为第一作者，靳常青和张俊为共同通讯作者。该研究得到了中国科学院稳定支持项目的资助。

图1. 原子氮聚合物 (cg-N) 的类金刚石立方结构和对应的拉曼谱

这一突破不仅解决了传统超高压聚合路线制备聚合氮材料难以稳定到常规条件的技术难题，还为未来含能材料的研究开辟了新的途径。聚合氮作为潜在的高能量密度材料，其常压制备技术的突破有望在能源、国防等领域带来革命性的应用前景。

本文原文来自中国科学院物理研究所