固体所发现高能密度材料在高压下的新结构
高压可以改变原子间的成键方式。通过高压手段可以实现N≡N三键(954kJ/mol)到N—N单键(160kJ/mol)的转变。当这种单键N变为 N≡N三键时，便会释放大量的能量，可以作为潜在的高能密度材料。近来，叠氮化合物受到了广泛的关注，这主要是因为在高压下叠氮离子比N≡N三键更容易形成N—N单键。固体所张洁博士和导师曾雉研究员利用遗传算法结合第一性原理计算对KN3在0-100GPa下的结构相变及性质进行了系统的研究并取得了新进展。
通过大量的结构探索，研究人员发现：KN3分别在22GPa和40GPa时发生了结构相变，其结构相变序为I4/mcm→C2/m→P6/mmm(图 1)。其中I4/mcm和C2/m结构中的N原子都以直线型的叠氮离子形式存在，而在P6/mmm相中的N原子则形成了N6环(图2)，这是在多氮分子和叠氮化合物中非常新颖的结构。这表明，通过引入金属原子和加压等手段，可以使N6分子稳定存在，从而为实现高能密度材料提供了一种新的方案。KN3材料结构演化规律：在低压下，N原子倾向于以叠氮离子形式存在；而在高压下，包含N链和N环的结构则更为稳定。对于高压P6/mmm相，N6中的N原子之间以 sp2杂化轨道交叠形成了σ键，其л*轨道被部分占据，表现出金属行为。
这项研究成果不仅为理解实验数据提供了指导，并且推进了对KN3化合物的认知。相关工作已发表在Scientific Reports 4, 4358 (2014)上。
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