Forskere bruger nitrogenbaserede forbindelser som nye højtydende energilagringsmaterialer

Forskere ved University of Bayreuth har syntetiseret unikke scandiumpolynitrider under ekstreme forhold med eksotisk kemi og potentielle anvendelser som materialer med høj energitæthed.

Materialer med høj energitæthed (HEDM'er) er afgørende i forskellige applikationer på grund af deres overlegne energetiske ydeevne, som omfatter høj detonationshastighed, detonationstryk og energilagringskapacitet. Deres anvendelse i rumudforskning som raketdrivmidler og i forsvar som sprængstof er af afgørende betydning for det moderne samfund.

Disse materialers unikke kemiske egenskaber, såsom evnen til at lagre enorme mængder energi i et relativt lille volumen, gør dem uundværlige for at fremme teknologien i områder, der kræver høje udgangseffekter og kompakte energilagringsløsninger.

Nitrogenholdige forbindelser er blandt de mest effektive valg til HEDM'er. Nitrogens evne til at danne forskellige stabile og energetisk gunstige bindinger af forskellig rækkefølge, enkelt N-N, dobbelt N=N eller tredobbelt N≡N, giver mulighed for syntese af en lang række forbindelser med skræddersyede egenskaber.

Nitrogenrige materialer er i stand til at frigive en enorm mængde energi under nedbrydning eller forbrænding (når enkeltbindinger erstattes af tredobbelte), hvilket gør dem yderst effektive som drivmidler og sprængstoffer. Nedbrydningen af ​​nitrogenholdige forbindelser resulterer ofte i dannelsen af ​​nitrogengas (N₂ ), som er et stabilt, inert og miljøvenligt produkt.

For at mestre HEDM'er er molekylvægten en meget vigtig parameter:jo lettere de elementer, der danner et fast stof, jo højere er den gravimetriske energitæthed af forbindelsen. Da scandium er det letteste overgangsmetal, er dets polynitrider (forbindelser indeholdende adskillige enkeltbundne nitrogenatomer) særligt lovende som HEDM'er, som det blev forudsagt i mange beregningsstudier. Imidlertid har scandiumpolynitrider hidtil været ukendte.

Forskere fra University of Bayreuth rapporterer om fire nye scandiumnitrider, Sc₂ N₆ , Sc₂ N₈ , ScN₅ og Sc₄ N₃ , i tidsskriftet Nature Communications .

"De to nye katenerede nitrogenenheder N66- og N86- opnået i denne undersøgelse udvider markant listen over anioniske nitrogenoligomerer, der yder et bemærkelsesværdigt bidrag til den grundlæggende forståelse af nitrogenkemi under højt tryk," siger Ph.D. studerende Andrey Aslandukov, første forfatter af papiret.

"Syntetiseret Sc₂ N₆ , Sc₂ N₈ og ScN₅ faste stoffer er lovende materialer med høj energitæthed med beregnet volumetrisk energitæthed, detonationshastighed og detonationstryk op til tre gange højere end almindeligt sprængstof trinitrotoluen (TNT). Højtrykskemi demonstrerer eksistensen og mangfoldigheden af ​​polynitrider, hvilket åbner perspektiver for deres anvendelser inden for videnskab og teknologi," siger prof. Leonid Dubovinsky.

Flere oplysninger: Andrey Aslandukov et al., Stabilisering af N₆ og N₈ anioniske enheder og 2D polynitrogenlag i højtryksskandiumpolynitrider, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46313-9

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Bayreuth University