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富氮氢键有机骨架包覆:硝仿稳定性的百年突破

含能材料是指一类由氧化剂和还原剂组成,通过快速化学反应将化学能转换为热能的物质,如炸药、推进剂、烟火剂以及气体发生剂等,其在国防和国民经济中占据着不可替代的作用。氧平衡(氧含量)的高低是衡量含能材料能量密度的重要指标之一,即氧平衡越高,含能材料能量密度越高。然而,由于自然属性的限制,目前所报道的绝大多数氧化剂热分解温度均较低,很难满足基本热稳定性使用需求(大于180 ℃)。因此,如何提高氧化剂的热稳定性是摆在含能材料研究者面前的一大难题。在目前报道的氧化剂中,硝仿[-C(NO2)3, NF],因含有3个高氧-高能量密度硝基基团,其氧平衡比目前报道的绝大多数氧化剂氧平衡都高。此外,易于制备的特点,使得硝仿相对于其他氧化剂有着更加诱人的应用潜力,因此,硝仿是一类尤为重要的氧化剂。然而,自从硝仿首次被制备至今已有150余年的历史,无数种方法被用来研究如何提高其热稳定性。不幸的是,如同其他氧化剂一样,硝仿类化合物的热稳定性(80-150 ℃)仍没有较大的突破。在此背景下,探索如何提高硝仿类化合物的热稳定性对硝仿及其他氧化剂的发展具有重要意义。


基于此,哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院张嘉恒点击查看介绍)团队采用高氮化合物做配体,首次将硝仿阴离子导入到形成的氢键骨架材料的结构孔穴中(图1, HOF-NF)。研究发现,氢键骨架孔状结构能够有效的固定硝仿阴离子,硝仿阴离子中每一个氧原子与周围骨架结构形成至少一个氢键,这也是首例所有氧原子均参与形成氢键的硝仿类化合物。这些有效因素的叠加,使得该硝仿化合物的分解温度达到200 ℃,是第一例分解温度超过180 ℃的硝仿类化合物(图2)。该研究颠覆了含能材料研究者对硝仿热稳定性差的认识,相信通过该研究,会有更多热稳定性优良的硝仿及其他氧化剂类化合物被制备出来,以更好的服务于国防和国民经济中去。

图1. a) HOF-NF氢键骨架材料的制备;b-c) 骨架中硝仿阴离子与骨架孔结构形成的氢键


图2. a) 制备的氢键骨架材料HOF-NF的TG-DSC热分解行为;b) 目前报道的硝仿类化合物热分解温度统计图


这一成果发表在近期的Nature Communications上,文章第一作者为张计传博士后,通讯作者为哈尔滨工业大学(深圳)张嘉恒教授和国际著名含能材料专家Jean’ne M. Shreeve教授。


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):

Taming nitroformate through encapsulation with nitrogen-rich hydrogen-bonded organic frameworks

Jichuan Zhang, Yongan Feng, Richard J. Staples, Jiaheng Zhang & Jean’ne M. Shreeve 

Nat. Commun.202112, 2146, DOI: 10.1038/s41467-021-22475-8


导师介绍

张嘉恒

https://www.x-mol.com/university/faculty/46711 


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