王贤龙、曾雉发现具备高能密度材料特征的新型N-F化合物

fanggou

近日，中科院合肥研究院固体所计算物理与量子材料研究部在聚合氮高能密度材料设计方面取得新进展，通过遗传算法结合第一性原理计算发现了具备高能密度材料特征的两种新型N-F化合物。相关研究结果以发表在Journal of Physical Chemistry Letters上。
　　聚合氮是新型的高能密度材料，其含能密度是传统含能材料（如TNT）的5倍。通过压缩氮气得到聚合氮，合成压力较高，且高压合成的聚合氮样品在常压下难以保存，无法满足大规模材料制备需求。为了降低聚合氮合成压力并增强其稳定性，引入其它元素形成化合物被认为是一种有效方法。相关研究已经在金属-氮体系中发现了丰富的聚合氮形式，如N5环、N链等，其物理机制是通过氮接收电荷来形成稳定的聚合氮基团。但是氮原子通过失去电荷形成聚合氮却十分罕见。为了全面了解电荷转移效应，研究团队提出引入电负性较强的F原子，探索新型带正电聚合氮的物质存在形式。

　

图. (a) N-F的形成焓曲线及两种含氮化合物的晶体结构图，其中红色和蓝色小球分别代表F原子和N原子；(b) 已报道二元含氮化合物的能量密度。

　　该工作采用遗传算法结合第一性原理计算研究了N-F体系在压力下的新组分、结构及性质，发现了两种聚合氮化合物NF和N6F，其中氮原子分别形成1D链和3D网状结构。NF化合物的能量密度为5.38 kJ/g和15.60 kJ/cm3，高出TNT的数值（4.3 kJ/g和7.05 kJ/cm3），是目前已报道二元共价含氮化合物中能量密度最高的材料。NF化合物中N和F原子形成共价键，是稳定其结构框架的关键。而N6F化合物中N和F则形成离子键，N原子向F原子转移电荷，3D聚合氮网格带正电，为合成新型聚合氮提供了依据。
　　计算物理与量子材料研究部张洁副研究员为论文的第一作者，王贤龙研究员和曾雉研究员为论文的通讯作者。该团队在高能密度氮材料体系中做了系列工作，前期已在Li2N2和KN3化合物中预测了具有螺旋N链和N6环特征的新型结构。
　　该项工作得到了国家自然科学基金的支持，所有计算均在中科院超算中心合肥分中心完成。
       文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c01181。　
       文章来源：合肥研究院
      王贤龙，男，1981年1月出生，博士，研究员，博士生导师，工作于固体物理研究所物质计算科学研究室， 2009年到2015年期间曾先后在澳大利亚卧龙岗大学、日本北陆先端科学技术大学院大学、东京工业大学和爱媛大学从事科学研究工作，其中2013-2015年任日本学术振兴会（JSPS） 海外特聘研究员。作为项目负责人主持过国家自然基金两项。迄今在《Nature Geoscience》和《Phys. Rev. B》等国际刊物上发表SCI论文37篇（其中影响因子大于3的有19篇），被引用1000余次。
       曾雉，博士、 研究员、博士生导师，曾任中国科学院固体物理研究所副所长。专业方向为计算物理和计算材料科学，研究方向主要在用第一性原理计算方法研究材料能带结构及其能带调控特性，用分子动力学方法研究材料的动力学行为。研究对象包括单分子磁体、蛋白质中的过渡金属、催化酶、超导材料、磁性材料、储氢材料、储锂材料；计算介观体系尤其是分子导体的输运特性；发展计算方法、编写计算程序，包括自旋─轨道耦合，非共线磁结构计算的理论和程序，强关联修正(LSDA+U，DFT+DMFT)方法，多端体系的电子输运的方法和程序，复杂体系多尺度计算方法和程序等等。