基于碳硼烷的纳米团簇用于火箭自燃材料

原子级精确的金属团簇具有优美的结构和独特的电子能带，有利于研究结构与性质之间的关系，引起了科学家的研究兴趣。目前，金属团簇的研究主要集中在新颖结构的设计和制备，及其在发光、催化等领域的研究，关于这类材料在火箭推进剂中的应用尚未报道。近5年来，郑州大学的臧双全教授（点击查看介绍）团队以潜在的应用功能为导向，设计功能有机配体保护金属团簇，获得了一系列具有优异性能的纳米金属团簇材料，探索了这类材料在氧气检测、化学战剂降解和圆偏振发光等领域的潜在应用，做出了一系列十分有特色的研究工作（代表性的工作有Nat. Chem., 2017, 9, 689-697; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 14505–14509; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 12143 –12148；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10052-10058）。

近日，该团队利用具有高能量密度但无法自燃的邻碳硼烷炔为保护配体，制备出两例纳米金属团簇（CBA-Ag和CBA-CuAg），它们均能与白色发烟硝酸发生自燃反应，是一类潜在的火箭发动机燃料。其中，铜银合金团簇的点火延迟时间低至15 ms。

图1. 通过高速摄影照片展示的邻碳硼烷、邻碳硼烷炔、CBA-Ag和CBA-CuAg的点火延迟过程。

自燃材料是一类与氧化剂接触之后能够迅速自发可持续燃烧的物质，这类材料在推进剂系统中至关重要。邻碳硼烷具有大量B-H、B-C及B-B键，储存了大量的能量，是一种潜在的自燃材料。但由于其稳定的类芳香闭合结构，与硝酸反应无法发生自燃反应。在本研究中，作者选用邻碳硼烷炔为配体，制备了一例银纳米团簇 [Ag₁₄(C₄B₁₀H₁₁)₁₂(CH₃CN)₂]•2NO₃ (CBA-Ag)和一例Cu-Ag合金纳米团簇[Cu₆Ag₈(C₄B₁₀H₁₁)₁₂Cl]NO₃ (CBA-CuAg)，其中团簇金属内核的催化作用可以促进热点的快速形成，进而引发自燃反应。以白色发烟硝酸作为氧化剂进行点火试验，测试表明CBA-Ag和CBA-CuAg的点火延迟时间分别为140 ms和15 ms，实现了邻碳硼烷从无法自燃到快速自燃的转变。理论计算发现，团簇内金属的参与显著降低了价带位置，减小了材料带隙，增加了反应活性，促进与氧化剂发生自燃反应。

该成果不仅拓宽了金属纳米团簇的应用领域，而且为设计和制备具有点火性质的推进剂材料提供了全新的研究思路。

相关工作近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，通讯作者为臧双全教授，王乾有博士后和王杰博士研究生为共同第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

o-Carborane-Based and Atomically Precise Metal Clusters as Hypergolic Materials

Qian-You Wang, Jie Wang, Shan Wang, Zhao-Yang Wang, Man Cao, Chun-Lin He, Jun-Qing Yang, Shuang-Quan Zang*, Thomas C. W. Mak

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c04638

臧双全教授简介

国家杰出青年基金获得者，第十批河南省优秀专家，郑州大学二级教授，博士生导师，宝钢优秀教师，河南省特聘教授，获河南省自然科学一等奖。现任郑州大学化学学院主持工作副院长，绿色催化中心主持工作副主任。担任中国化学会分子筛专业委员会委员，中国化学会晶体化学专业委员会委员，河南省化学学会第十届理事会常务理事，《Crystal Growth & Design》Topic Editor（2020-2021），《无机化学学报》编委、《中国化学》和《结构化学》青年编委。主要研究方向是金属簇化学和金属有机框架材料。主持包括国家杰出青年基金、面上项目等多项国家级和省部级重要科研项目。在Chem. Soc. Rev，Nat. Chem., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Sci., Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., Coord. Chem. Rev.等权威化学类期刊发表SCI论文180余篇。代表性论文被国际著名刊物Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等引用6800余次，H-index = 51。

郑州大学晶态分子功能材料实验室，科研平台和师资力量雄厚，诚邀海内外博士加入课题组，课题组提供充足的科研支持，并协助博士后本人作为负责人申请中国博士后科学基金、国家自然科学基金及河南省科研项目。

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