劉雪敏,劉紅利,高 潮,郭兆琦,3
(1.西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065;2.西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,陜西 西安 710127;3.西北大學(xué)化工學(xué)院,陜西 西安 710069)
配位聚合物(Coordination Polymers, CPs)由有機(jī)配體和金屬節(jié)點構(gòu)建而成,具有多變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及豐富的物理化學(xué)性質(zhì),在氣體存儲、化學(xué)分離、催化、傳感器、導(dǎo)電等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1-5]。開發(fā)結(jié)構(gòu)新穎的CPs并研究其應(yīng)用具有重要意義。近年來,以富氮CPs作為含能材料的研究引起廣泛關(guān)注[6-8]。傳統(tǒng)C、H、O、N類含能材料的開發(fā)存在能量與感度的矛盾,新型材料的感度往往隨能量的增大而升高,因安全問題難以獲得應(yīng)用。
C、H、O、N類化合物分子間非鍵作用的距離為0.32~0.38nm,因而在形成晶體時分子之間不能靠得太近,分子間需達(dá)到引力和斥力的平衡。而配位鍵的鍵長為0.19~0.26nm,通過配位鍵將C、H、O、N類有機(jī)化合物連接在一起,能夠拉近分子之間的距離,從而有效提高結(jié)晶密度。因此,采用配位化學(xué)方法合成的富氮CPs,以金屬離子為節(jié)點可以更有效地富集含能配體、提高含能材料的能量密度及爆轟性能,配合物良好的機(jī)械性能可有效調(diào)控材料的熱穩(wěn)定性和感度。正是由于具備以上特點,多數(shù)已報道的ECPs具有熱穩(wěn)定性良好、高密度、低感度、高能量等特點。部分已報道的ECPs的能量(計算值)甚至超過CL-20,感度卻低于TNT,獲得了高能量與低感度的統(tǒng)一,因而成為含能材料研究的熱點。
ECPs的設(shè)計和合成首要考慮的是選擇合適的配體和金屬離子。采用不同的配體和金屬離子可以獲得不同結(jié)構(gòu)的ECPs,結(jié)構(gòu)則決定性質(zhì)。如一維ECPs由于沒有孔洞,結(jié)晶密度高,但機(jī)械感度也較高;而三維ECPs通常是具有孔洞的框架結(jié)構(gòu),密度較低,孔洞結(jié)構(gòu)使配體被相互隔離,因而機(jī)械感度明顯降低,若孔洞中存在硝酸根等離子時,可提高氧平衡和總能量。因此,系統(tǒng)闡述ECPs的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系對設(shè)計、合成此類材料具有指導(dǎo)和借鑒意義。本文分別從ECPs的電荷狀況和潛在應(yīng)用兩方面總結(jié)了近幾年國內(nèi)外報道的研究結(jié)果。
由于配體結(jié)構(gòu)的不同,在與帶電荷的金屬離子配位后,聚合物框架不帶電荷則為中性CPs,如帶負(fù)電荷的配體與金屬離子配位達(dá)到電荷平衡,含有羧基、羥基等基團(tuán)的配體脫去質(zhì)子與金屬離子配位達(dá)到電荷平衡,生成中性CPs;不含有活潑質(zhì)子的中性配體與金屬離子配位后則得到陽離子CPs,需要反離子達(dá)到電荷平衡;電負(fù)性較高的有機(jī)配體或有輔助配體參與配位則可能獲得陰離子CPs。含能CPs的結(jié)構(gòu)對其性能有顯著影響,如含硝酸根的陽離子CPs具有較高的氧平衡,能量較高,但往往感度較高。因此,按照帶電荷特性分別探討含能CPs的結(jié)構(gòu)、性能等特點具有重要意義。
多數(shù)含能配體為陰離子或含有活潑氫的富氮化合物,與帶正電荷的金屬離子配位后易獲得不帶電荷的聚合物框架,這是最常見的ECPs。
1.1.1 疊氮基中性ECPs
1.1.2 三唑基中性ECPs
三唑類化合物具有較高的氮含量和良好的穩(wěn)定性,三唑環(huán)上的氮原子及含雜原子的取代基均可與金屬離子配位。三唑環(huán)上的兩個碳原子可以連接多種基團(tuán),包括三唑和四唑,從而形成豐富的三唑衍生物。2013年,Chuan Li等[12]用揮發(fā)法合成二維中性CP:[Cu(CPT)2(H2O)2],其結(jié)構(gòu)由1個Cu(II)離子、2個CPT-、2個H2O分子和2個MeOH分子組成的不對稱單元構(gòu)成一維鏈,豐富的氫鍵使之形成三維超分子結(jié)構(gòu)。感度測試(撞擊感度和摩擦感度分別為5J、216N)表明其對撞擊敏感。它還具有高密度、高氧平衡(-2.4%)及良好的熱穩(wěn)定性(281 ℃),因此屬于耐熱炸藥,有望用于推進(jìn)劑中。
Jing Ge等[13]采用常溫?fù)]發(fā)法合成了雙核三維超分子結(jié)構(gòu)CP:[Co2(C2H5N5)2(C7H3NO4)2(H2O)2]·2H2O。其標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓、比熱容(298.15K)分別為-(2475.0 ± 3.1)kJ/mol、(1.13 ± 0.02)J/(K·g),具有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性。
Wenjuan Gao等[14]采用揮發(fā)法合成二維鈍感CPs:[Pb(Htztr)2(H2O)]n和[Pb(H2tztr)(O)]n。熱分解溫度分別為340、318 ℃,爆熱分別為5.683、1.066kJ/g,爆速分別為7.715、8.122km/s,爆壓分別為31.57、40.12GPa。兩種配合物均為鈍感含能材料(撞擊感度均大于40J,摩擦感度均大于360N)。2015年,Wenjuan Gao等[15]采用水熱法合成鈍感三維超分子結(jié)構(gòu)CPs:[Cu(Htztr)2(H2O)2]n、[Cu(Htztr)]n和三維結(jié)構(gòu)CP:{[Cu(tztr)]·H2O}n。爆熱分別為8.900、16.553、5.529kJ/g,爆速分別為8.18、10.4、7.92km/s,爆壓分別為30.57、56.48、31.99GPa。
Xin Jin等[16]采用揮發(fā)法合成一維CP:[Cd2(μ-Cl)4Cl2(DATr)2]n,中心Cd離子為六配位扭曲八面體結(jié)構(gòu),熱分解溫度高于230 ℃。采用Kissinger和Ozawa-Doyle方法計算平均活化能為166.5kJ/mol,表明該化合物穩(wěn)定性較高。然而,該化合物含氯,不屬于綠色含能材料。
Qi Yang等[17]采用溶劑熱法合成三維CP:[Cu2(to)(dns)(H2O)]n,其不對稱單元由2個Cu(II)離子,1個dns2-配體,1個to2-配體和1個水分子組成,Cu1采用扭曲的正方棱錐幾何配位,基平面由來自dns2-的羥基和羧基的2個氧原子、to2-的1個氮原子和配位水分子的1個氧原子組成,頂點被來自另一個dns2-中硝基的1個氧原子占據(jù)。Cu2的配位幾何形狀與Cu1相似,不同之處在于基面中羥基的氧原子被另一個to2-中的氮原子替換,dns2-連接不對稱單元形成一維鏈,且dns2-的硝基氧原子和to2-的氮原子與相鄰1D鏈中不同的Cu(II)離子配位,形成三維框架結(jié)構(gòu),同時氫鍵使三維結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。其生成焓為(-21.39 ± 3.21)kJ/mol,且具有高密度、熱穩(wěn)定(Td=217 ℃)和低感度(撞擊感度為38.6J,摩擦感度大于360N)等特性,爆轟參數(shù)(ΔHdet=4.098kJ/g,D=7.522km/s,p=29.51GPa,)高于TNT和其他已知ECPs(如CHHP和ZnHHP),因此作為潛在的綠色炸藥??傊?,多硝基配體在ECPs的構(gòu)造中具有獨特的優(yōu)點,為了進(jìn)一步提高ECPs的爆轟性能,應(yīng)使用具有更高氮含量和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的雜環(huán)配體。
1.1.3 四唑基中性ECPs
Yangang Bi等[19]合成三維超分子結(jié)構(gòu)CPs:[Cu(DAT)2(PA)2]和[Cu(DAT)2(HTNR)2]。生成焓分別為-37.5、-1673kJ/mol;撞擊感度較高,分別為4.25、1.5J,有望用作起爆藥。
Fugang Li等[20]合成一維CP:{[Na2Zn(bta)2(H2O)8]·H2O}n和三維CP:{[K2Zn(bta)2(H2O)4]}n。用DSC方法研究其熱行為,前者經(jīng)過4步復(fù)雜的分解過程,熱分解溫度為349℃,而后者經(jīng)過2步分解,熱分解溫度高達(dá)355℃。燃燒熱分別為-8123和-6706kJ/kg,生成熱分別為39.05和251.11kJ/mol,對撞擊和摩擦鈍感(撞擊感度大于40J,摩擦感度大于360N),表明兩種化合物熱穩(wěn)定性好、能量特性好且鈍感,是潛在的環(huán)境友好型含能材料。
Weiming Guo等[21]采用常溫?fù)]發(fā)法合成二維中性CP:[Na(Hbto)(H2O)2·2H2O]n,化合物燃燒熱、生成熱分別為-9320kJ/kg和58.3kJ/mol,熱分解溫度為256℃,對外界刺激鈍感(撞擊感度大于40J,摩擦感度大于360N)。
Yaya Feng等[22]采用原位反應(yīng)合成三維雙核異金屬CP:[Cu4Na(Mtta)5(CH3CN)]n,溶于水發(fā)生溶劑效應(yīng),結(jié)構(gòu)中的CH3CN被H2O取代,形成新的CP:[Cu4Na(Mtta)5H2O]n。熱穩(wěn)定性測試顯示[Cu4Na(Mtta)5(CH3CN)]n擁有較高的熱穩(wěn)定性(Td=335℃),非等溫動力學(xué)分析得到平均活化能為165.1725kJ/mol,感度測試表明其是低感度CP(撞擊感度等于36J,摩擦感度大于360N)。ΔfHm、ΔHdet、D、p分別為(182.92 ± 2.16)kJ/mol、9.893kJ/g、7.225km/s、24.43GPa,屬于潛在的高能量密度材料。
Qi Yang等[23]利用微波法合成一維CP:Cu(TZA)(DNBA)。爆熱(5.767kJ/g)高于RDX但低于CL-20,爆速(7.655km/s)、爆壓(27.157GPa)均高于TNT、ZnHHP和CHHP。機(jī)械感度較低(撞擊感度等于35J,摩擦感度大于360N)。該化合物擁有高熱穩(wěn)定性(Td=270 ℃)且鈍感,有望應(yīng)用于環(huán)境友好型推進(jìn)劑。
Yu Shang等[24]采用水熱法合成三維CP:[Pb(BTO)(H2O)]n。該化合物擁有三維平行四邊形多孔結(jié)構(gòu)和可接受的感度(撞擊感度等于7.5J),熱穩(wěn)定性好(Td= 309.0℃)。其爆熱(4.186kJ/g)高于ZnHHP(3.555kJ/g)和CHHP(3.346kJ/g),低于RDX(5.796kJ/g)和HMX(5.520kJ/g),但其單位體積爆熱(16.005kJ/cm3)高于傳統(tǒng)含能材料及ECPs。
Qiangqiang Liu等[25]采用水熱法合成三維CP:Pb(bta)·2H2O,該化合物具有高的爆熱(16.142kJ/cm3)、高熱穩(wěn)定性(Td= 614.9K,5K/min)、鈍感(撞擊感度大于40J)等特性。理論計算得p、D分別為43.47GPa和8.963km/s,活化能約為430kJ/mol,高于RDX、HMX和CL-20。因此,該三維CP在含能材料領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價值。
Sitong Chen等[26]采用水熱法合成三維CP:[CuBT(H2O)]n;一維CPs:[ZnBT(H2O)2]n和[CdBT(H2O)2]n,單晶測試顯示前者中,Cu(II)離子與來自不同配體離子(BT2-)的4個氮原子和來自水分子的2個氧原子配位,形成規(guī)則且緊密的三維框架結(jié)構(gòu);后兩者結(jié)構(gòu)中,Cu(II)離子以同樣的方式形成六配位,雙陰離子配體與3個不同的金屬原子結(jié)合形成一維鏈結(jié)構(gòu),通過氫鍵緊密連接形成三維超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3種化合物熱穩(wěn)定性高(熱分解溫度分別為349.1、334.8、394.2℃);感度測試表明前者對撞擊和摩擦敏感(在測試條件下100%爆炸),而后兩者對摩擦和撞擊都不敏感(在測試條件下未爆炸)?;贒FT計算爆熱分別為26.7267、9.2715和8.1357kJ/g。由此可知前者在已經(jīng)報道的ECPs中具有最高的計算爆熱,此外,與已報道的ECPs相比,其還具有高氮含量(51.46%)和高氧平衡(-36.76%)以及較高的密度(2.505g/cm3)。因而有望作為軍用或民用環(huán)境友好型高能材料。
Zhaoqi Guo等[27]采用常溫?fù)]發(fā)法合成一維CP:[Pb(BT)(H2O)3]n;三維CP:[Pb3(DOBT)3(H2O)2]n·(4H2O)n。前者中Pb(II)離子與來自兩個配體的4個氮原子和3個水分子的氧原子配位,形成一維結(jié)構(gòu)。BT2-配體和配位水分子中存在豐富的未配位氫原子,一維聚合物鏈通過氫鍵進(jìn)一步形成三維超分子網(wǎng)絡(luò)。后者中,DHBT的配體與Pb(II)離子采用兩種不同的配位方式,形成三維多孔框架結(jié)構(gòu),其中晶格和配位水分子位于沿著c軸的一維通道中。熱分析和感度測試表明,三維結(jié)構(gòu)的后者具有比一維的前者更高的熱穩(wěn)定性(Td=213、253℃)和更低的機(jī)械感度(撞擊感度分別為6、14J,摩擦感度分別為120、360N)。通過氧彈量熱法,測得燃燒熱分別為-9175.5、-6993.6J/g,計算所得生成焓分別為2187.70、5436.68kJ/mol,可知后者的生成焓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。值得一提的是,與其他采用理論計算爆熱的研究不同,該研究首次根據(jù)燃燒熱以及TG-DSC-MS-FTIR同步分析的分解產(chǎn)物來計算爆熱,因而結(jié)果更為可信。結(jié)果表明,后者的爆熱(4.23kJ/g)比前者(3.23kJ/g)高23%。該研究的全部結(jié)果均基于實驗數(shù)據(jù),并且首次將ECPs結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系作為研究重點。
Piao He等[28]采用陽離子復(fù)分解法合成二維CP:Na2DNABT,鈉原子通過2個氮原子、3個硝基氧原子及來自水分子的另外2個氧原子形成不規(guī)則的七配位,金屬原子彼此相互作用進(jìn)一步延伸成二維平面,廣泛的氫鍵網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致形成三維不規(guī)則多孔CP。撞擊、摩擦感度分別為5J和8N,不屬于鈍感含能材料。其具有良好的熱穩(wěn)定性(Td=250 ℃)、正氧平衡、高生成熱(529.5kJ/mol)、較高爆熱(5080kJ/kg)和綠色的爆炸產(chǎn)物,有望用作環(huán)保含能材料。
1.1.4 呋咱基中性ECPs
呋咱環(huán)含有2個氮原子和1個氧原子,可分別與金屬離子配位。呋咱環(huán)具有芳香性,生成焓高,熱穩(wěn)定性好,機(jī)械感度低。氮、氧原子與同一種金屬離子的配位能力不同,有助于合成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的CPs,因而其衍生物是良好的含能配體。2015年,Lianjie Zhai等[29]通過4步反應(yīng)(氰基加成,重氮化,N2O5硝化,KI消去),原位合成三維CP:K2BDFOF,其生成熱、爆速、爆壓、平均表觀活化能分別為-8.4kJ/mol、8431m/s、3.29×104kPa,148.35kJ/mol。由于其感度高(撞擊感度為1~2J,摩擦感度不大于1N),因此可以用作起爆藥。
Lianjie Zhai等[30]合成了三維CPs:[Ag2K4(BDOFO)(BDFO)2(H2O)6]n,[K2(BDFO)]n。前者具有由2個獨立的Ag(I)離子、4個K(I)離子、1個BDOFO2-、2個BDFO2-和6個配位水分子組成的不對稱單元,其中K1離子與來自3個BDFO2-的6個氧原子、1個BDOFO2-的2個氧原子、水分子的1個氧原子共形成九配位;K2離子與10個氧原子配位,有6個氧原子來自4個BDFO2-配體,3個氧原子來自2個BDOFO2-配體,另外1個氧原子來自水分子;Ag1與2個BDFO2-的2個氧原子、2個水分子的氧原子和1個BDFO2-的1個氮原子形成五配位;BDFO2-配體對K1、K2和Ag原子采用橋聯(lián)和螯合配位模式,BDOFO2-配體對K1和K2原子具有橋接和螯合配位模式,因此構(gòu)建了三維框架結(jié)構(gòu)。后者的不對稱單元由2個獨立的K(I)離子和1個BDFO2-組成,其中K1離子與5個不同BDFO2-的8個氧原子配位,K2離子與5個不同BDFO2-的8個氧原子和1個氮原子配位,而且BDFO2-和K(I)離子彼此連接形成三維CP?;衔锒季哂休^好的熱穩(wěn)定性(熱分解溫度分別為231.3、218.9℃),后者有較好的爆轟性能,但較敏感(撞擊感度為2J,摩擦感度為5N),有望用作起爆藥。
不含活潑質(zhì)子的中性配體與金屬離子配位后通常得到陽離子框架CPs,為達(dá)到電荷平衡,CPs的孔道中通常有陰離子填充。用來合成陽離子CPs的金屬鹽的酸根離子通常填充在孔道中,主要有硝酸根離子、高氯酸根離子等,這些反離子提高了CPs的氧平衡、氮含量,進(jìn)而提高其爆轟性能。此外,通過離子交換可以將需要的陰離子負(fù)載在CPs的孔道中,從而獲得需要的結(jié)構(gòu)。
1.2.1 肼基陽離子ECPs
肼是氮含量高達(dá)87.4%的中性小分子,兩個氮均可參與配位,是理想的含能配體。2011年,Oleksandr S. Bushuyev等[31]合成一維CP:NiN10H20O8Cl2(NHP)和CoN10H20O8Cl2(CHP),NHP的感度很低,爆熱為5.729kJ/g,而CHP撞擊感度和摩擦感度分別是0.5J、2.5N,爆熱為5.228kJ/g。隨后,Oleksandr S. Bushuyev等[32]合成二維陽離子型CPs:[Co2(N2H4)4(N2H3CO2)2][ClO4]2·H2O和[Zn2(N2H4)3(N2H3CO2)2][ClO4]2·H2O,其熱分解溫度分別為231和293℃,撞擊感度分別為0.8、2.5J,摩擦感度分別是24.5、490N,爆熱分別為3.346、3.555kJ/g。這是較早關(guān)于ECPs的報道,文中采用密度泛函方法計算爆熱被廣泛采納,然而該方法可能高估了爆熱。
1.2.2 三唑基陽離子ECPs
Xin Jin等[34]采用常溫?fù)]發(fā)法合成三維超分子結(jié)構(gòu)CPs:Co3[(DATr)6(H2O)6](NO3)6·2H2O、Ni3[(DATr)6(H2O)6](NO3)6·1.5H2O、Zn3[(DATr)6(H2O)6](NO3)6·2H2O。DSC和TGA測試顯示3個化合物的熱分解溫度都達(dá)到260℃以上。后者非常鈍感(撞擊不發(fā)火,摩擦感度為0),前者感度較高(撞擊感度為21.35J,摩擦感度為88N),中間化合物次之(撞擊感度為48.36J,摩擦感度為0)。
Caixia Xu等[35]采用揮發(fā)法合成一維CP:[Mn2(HATr)4(NO3)4·2H2O]n和[Cd2(HATr)4(NO3)4·H2O]n,晶體結(jié)構(gòu)測試表明每個中心金屬與三唑環(huán)的2個氮和來自2個肼基的末端氮以及來自另2個HATrs的2個氮形成六配位扭曲的八面體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中都有游離硝酸根離子,且硝酸根所有的氧都是氫鍵的受體,進(jìn)而形成二維超分子結(jié)構(gòu)。測試顯示熱分解溫度分別為260、295℃,燃燒焓分別為-7186.25、-6922.53kJ/mol及生成焓分別為-1002.35、-457.27kJ/mol。2016年,Caixia Xu等[36]合成三例三維CPs:{[Mn(HATr)2](ClO4)2}n、[Mn(HATr)3]Cl(ClO4)、[Ni2(HATr)2(H2O)6](ClO4)4·2H2O,CPs的撞擊感度分別是4、7、3J,摩擦感度為72、96、6N,不屬于鈍感含能材料。熱分解溫度分別為250、260、256℃。
Thomas M. Klap?tke等[37]采用揮發(fā)法合成陽離子CPs:[Zn(H2O)(TATOT)3](NO3)2·2H2O和[Zn(TATOT)4](ClO4)2·2H2O,前者的中心Zn(II)原子與3個配體分子和1個水配位形成強(qiáng)烈扭曲的四面體配位球,這是由于Zn(II)陽離子和非配位硝酸根陰離子之間的短距離具有近金字塔構(gòu)型。后者的中心Zn(II)原子與4個配體形成具有輕微扭曲的四面體配位球。兩者的摩擦感度都大于360N,撞擊感度分別為大于 40J和等于35J,熱分解溫度分別是234和274℃,屬于鈍感含能材料。
1.3.1 呋咱基陰離子ECPs
Yongxing Tang等[39]合成三維CP:4,4′-雙(二硝基甲基)-3,3′-異唑烷酸鉀,K離子被來自硝基的5個氧原子螯合,橋接硝基將K離子中心連接成與a軸平行延伸的K-O-N-O-K鏈。而沿b軸,K離子橋接,這些鏈進(jìn)一步通過偶氮唑烷部分連接以形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其中形成不規(guī)則孔。其生成焓為110.1kJ/mol?;衔镲@示出較高的熱穩(wěn)定性(Td=229℃),良好的爆炸性能(D=8138m/s,p=30.1GPa),但機(jī)械感度較高(撞擊感度為2J,摩擦感度為20N)。
1.3.2 三唑基陰離子ECPs
Saona Seth等[40]采用溶劑熱法合成CPs:[Ni(DNBT)2(H2O)2]2·(Ni-DNBT)和[CuICuII(DNBT)2(H2O)2]·(Cu-DNBT)。結(jié)構(gòu)解析表明,前者是離散的陰離子配位絡(luò)合物,其中Ni2+為八面體配位模式,被來自赤道位置的DNBT的2個二價陰離子螯合,軸向位點被水分子占據(jù),其負(fù)電荷由通過DMF分解原位產(chǎn)生的二甲基銨陽離子補(bǔ)償。后者是在所采用的反應(yīng)條件下將一部分Cu(II)離子還原為Cu(I)得到,對于具有不同氧化態(tài)的銅離子觀察到2種不同的配位環(huán)境。每個Cu(II)離子顯示類似于在Ni-DNBT中用Ni(II)觀察到的八面體配位模式。相反,Cu(I)離子顯示四面體配位并且連接2個相鄰的八面體Cu(II)絡(luò)合物{[CuII(DNBT)2(H2O)2]2-},產(chǎn)生高密度一維聚合物,其負(fù)電荷被存在于間隙中的二甲銨陽離子平衡。配合物的爆熱分別為1.950和1.980kJ/g。后者顯示出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性,是具有高于300℃的高熱分解溫度的少數(shù)高能材料之一。由于是一維聚合物材料,后者在密度和熱穩(wěn)定性方面比DNBT(ρ=1.903g/cm3)或前者具有更好應(yīng)用前景的含能材料。該研究表明,采用合適的配位模式可以從現(xiàn)有的含能材料合成高密度和熱穩(wěn)定性的高能量密度材料。
1.3.3 四唑基陰離子ECPs
Zhibin Zhang等[41]合成一維CP:{TAG[Li(BTO)(H2O)]}n。熱分解溫度、生成焓分別為231.6℃、29.5kJ/mol。其對撞擊鈍感(撞擊感度為40J,摩擦感度為120N)。
Yongan Feng等[42]合成兩例鈍感三維超分子結(jié)構(gòu)CPs:[(AG)3(Co(btm)3)]、{[(AG)2(Cu(btm)2)]}n,熱分解溫度分別為268.1、212.5℃。晶體結(jié)構(gòu)分析表明化合物都是通過氫鍵形成了三維結(jié)構(gòu),即氫鍵提高了化合物的穩(wěn)定性和不敏感性。計算得生成熱分別為519.7、783.9kJ/mol,爆熱分別為19.865、22.625kJ/g,計算爆熱值超過了多數(shù)已報道的ECPs。對外界刺激鈍感(撞擊感度大于40J,摩擦感度大于360N)。同時,含氮量高于多數(shù)含能化合物,因此,離子型CP可以顯著降低金屬離子含量,提升氮含量,從而提高爆轟性能。
Weiming Guo等[43]合成了兩種一維鈍感CPs:[(NH3OH)2Na2(bto)2(H2O)4H2O]n,[(NH3OH)Na(bto)(H2O)2]n,兩種化合物的結(jié)構(gòu)相似,前者通過氫鍵形成三維結(jié)構(gòu),NH3OH+離子有序填充在層與層之間,提高了氮含量和生成焓。前者的熱分解溫度、燃燒熱、生成熱分別為257℃、-9589kJ/kg和240.4kJ/mol,并且非常鈍感(撞擊感度大于40J,摩擦感度大于360N),在高能炸藥領(lǐng)域有潛在應(yīng)用前景。
根據(jù)感度,ECPs也可分為起爆藥和炸藥。此外,由于ECPs含金屬,其燃燒后產(chǎn)生金屬氧化物,后者能夠調(diào)節(jié)燃燒速率和壓強(qiáng)指數(shù),因而,ECPs還有望用作含能燃速調(diào)節(jié)劑。
在很長一段時間里,疊氮鉛和雷酸汞是應(yīng)用廣泛的起爆藥。由于其含有重金屬鉛和汞,因此,開發(fā)環(huán)保型起爆藥顯得尤為重要。
Louisa J. Hope-Weeks等[32]將Ni(ClO4)2·6H2O溶于水中,并加入水合肼,合成一維CP:NiN10H20O8Cl2(NHP),NHP的感度很低,爆熱為5.729kJ/g,可作為起爆藥使用。Lianjie Zhai等[29]通過4步反應(yīng)(氰基加成,重氮化,N2O5硝化,KI消去)合成3,4-二(3-二硝基甲基呋咱-4-氧基)呋咱二鉀(K2BDFOF),該三維CP的生成熱、爆速、爆壓、平均表觀活化能分別為-8.4kJ/mol、8431m/s、3.29×104kPa,148.35kJ/mol。由于其感度高(撞擊感度為1~2J,摩擦感度不大于1N),因此可以用作起爆藥。Yongxing Tang等[39]合成三維CP:4,4′-雙(二硝基甲基)-3,3′-異唑烷酸鉀,K離子被來自硝基的5個氧原子螯合,橋接硝基將K離子中心連接成與a軸平行延伸的K-O-N-O-K鏈,而沿b軸,進(jìn)一步通過偶氮唑烷部分連接以形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),形成不規(guī)則孔道。生成焓為110.1kJ/mol。顯示出較高的熱穩(wěn)定性(Td= 229℃),良好的爆炸性能(D=8138m/s,p=30.1GPa),較高的機(jī)械感度(撞擊感度為2J,摩擦感度為20N)使之可能用作起爆藥。
按照當(dāng)前含能材料的發(fā)展要求,含能化合物必須符合高能量密度的要求,即密度在2.0g/cm3以上,爆速大于9km/s、爆壓大于40GPa的含能化合物。由于傳統(tǒng)的C、H、O、N元素組成的有機(jī)晶體存在堆積密度上限,已發(fā)現(xiàn)密度為2.0g/cm3以上的含能化合物寥寥無幾。CL-20是當(dāng)前綜合性能最好的有機(jī)含能化合物,但其制備工藝復(fù)雜、成本高、感度高[44]。
ECPs利用配位鍵將含能有機(jī)配體緊緊連接在一起,從而易于獲得密度2.0g/cm3以上的結(jié)晶。符合高能量密度要求的ECPs非常多,其中感度與常規(guī)含能化合物(如RDX)相當(dāng)或更低的ECPs都有望用作炸藥。然而,金屬離子對于密度的貢獻(xiàn)不可忽視,采用原子序數(shù)較低的Na、K等金屬離子可將金屬的影響降到最低。
固體推進(jìn)劑的燃燒是一個非常復(fù)雜的過程,燃速和壓強(qiáng)指數(shù)是燃燒過程中的兩個重要參數(shù),理想的燃燒過程要求維持一個特定的燃速,即維持平臺燃燒。燃速調(diào)節(jié)劑能夠提高燃速并降低壓強(qiáng)指數(shù),使推進(jìn)劑保持穩(wěn)定的燃速。無燃速調(diào)節(jié)劑時,燃速往往隨壓強(qiáng)的升高而加快,最終導(dǎo)致發(fā)動機(jī)爆炸??梢?,燃速調(diào)節(jié)劑是非常關(guān)鍵的功能材料[45-46]。
傳統(tǒng)的燃速調(diào)節(jié)劑多為金屬氧化物或有機(jī)金屬鹽,如PbO、CuO、水楊酸鉛、硬脂酸鉛等。其作用機(jī)理仍不明確,但研究者認(rèn)為有機(jī)金屬鹽燃燒生成的金屬氧化物對燃速有顯著的調(diào)節(jié)作用。然而,這些不含能的燃速調(diào)節(jié)劑的加入勢必會降低推進(jìn)劑的總能量。利用ECPs作為燃速調(diào)節(jié)劑,在不降低推進(jìn)劑總能量的同時仍可能很好地調(diào)節(jié)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)。
Dong Jing等[48]采用常溫?fù)]發(fā)法合成一維CP:[Mn(BTO)(H2O)2]n,晶體結(jié)構(gòu)中Mn(II)離子在拉伸的八面體中由2個氮原子和4個氧原子進(jìn)行六配位,其中2個氮原子和2個氧原子來自2個位于軸向位置的BTO2-,另外2個氧原子來自配位水分子且位于赤道平面,每個BTO2-采用四齒螯合模式與兩個Mn2+離子配位,形成一維鏈結(jié)構(gòu),п-п堆積和氫鍵進(jìn)一步鏈接這些一維線性結(jié)構(gòu)擴(kuò)展成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)在N2或O2下煅燒此化合物時,可分別獲得具有比表面積為50.2m2/g的棒狀介孔α-Mn2O3和尺寸為10~20nm的單分散α-Mn2O3,這是第一個基于Mn的含能配位聚合物通過煅燒法制得單分散超細(xì)Mn2O3,是制備具有特定形狀和尺寸錳氧化物的新思路。在前面實驗的啟發(fā)下,筆者開發(fā)了一種原位生成的高效超細(xì)α-Mn2O3催化劑,用于固體氧化劑高氯酸銨(AP)的分解。AP的催化過程顯示出顯著降低的熱分解溫度(217℃)和較窄的分解間隔(從253~275℃),此外,通過燃燒密閉容器實驗評價的催化劑加速表明,原位產(chǎn)生的α-Mn2O3納米顆??擅黠@增強(qiáng)AP的燃燒速率(是純AP的兩倍)。在如此低的金屬負(fù)載量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65%)的情況下,原位產(chǎn)生的單分散超細(xì)α-Mn2O3的催化性能是迄今為止最好的,表明該超高效催化劑在AP基推進(jìn)劑中有巨大的應(yīng)用潛力。
湯嶄等[49]以堿式碳酸銅和四氮唑乙酸在水中反應(yīng)制備得CP:[Cu(tza)2]n,密度為2.06g/cm3,熱分解起始溫度為212℃。將此化合物與RDX以質(zhì)量比1∶1混合,運(yùn)用DSC測定混合前后的熱分解曲線,結(jié)果表明,其可以使RDX的放熱分解峰溫提前16.7℃,使分解速度加快,表明對RDX具有良好的催化性能。
尚宇等[50]以二羥基聯(lián)四唑與硝酸鉛為原料,采用溶劑熱法合成CP:[Pb(BTO)(H2O)]n,密度為3.82g/cm3,熱穩(wěn)定性非常高,起始分解溫度為378℃。研究其對AP熱分解的催化性能,當(dāng)配位聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時,AP的高溫分解峰提前40.1K,且熱分解反應(yīng)的激烈程度大大提高,表現(xiàn)出良好的催化性能。
由于ECPs優(yōu)異的性能,在短短幾年時間內(nèi)有大量新型ECPs面世,展現(xiàn)出極大的潛力。綜合以上研究可以歸納出ECPs結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系:一維ECPs晶體內(nèi)部原子排列緊密,密度往往高于二維和三維ECPs,含能材料的能量與其密度高度相關(guān),因而一維ECPs的能量往往較高;二維ECPs由于結(jié)構(gòu)中空隙的存在,密度有所降低,能量居中;三維ECPs多具有孔道,密度低于采用相同配體和金屬的一維和二維ECPs,部分三維ECPs由于填充硝酸根等,能量值較高。此外,部分離子型ECPs的反離子是可調(diào)的,從而能夠調(diào)節(jié)其氧平衡及能量值,是設(shè)計高能量ECPs的良好思路。
ECPs的研究仍存在諸多未解決的問題。如研究者最為關(guān)注的能量多數(shù)通過理論計算得來,某些極高的能量值是否可信,比組成其配體的能量高出數(shù)倍的能量從何而來。采用密度泛函方法計算含能配位聚合物可能高估了能量,由于金屬元素對密度的貢獻(xiàn)大,但對能量幾乎無貢獻(xiàn),未經(jīng)修正的計算方法沒有扣除金屬元素的影響,從而導(dǎo)致能量的高估。盡管有少數(shù)研究者采用實驗數(shù)據(jù)間接計算能量,但因受條件限制,尚無實測ECPs的能量值報道。當(dāng)前研究者們更關(guān)注如何提高ECPs的能量,缺乏對ECPs結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究,研究結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系能夠指導(dǎo)設(shè)計與合成具有特定性能的ECPs。同時,已報道ECPs多采用唑類配體,高氮含量的嗪類配體有望成為后續(xù)研究熱點。
雖然已報道的數(shù)十種ECPs具有很高的計算能量值,但截止目前尚未獲得應(yīng)用,究其原因,較高的金屬含量雖然提高了密度,但對能量的貢獻(xiàn)有限。鑒于金屬離子在爆炸過程中幾乎無能量貢獻(xiàn),ECPs似乎不是理想的炸藥,但其作為含能燃速調(diào)節(jié)劑必將發(fā)揮重要用途。因此,今后的研究重點是按照應(yīng)用方向開發(fā)性能優(yōu)良的ECPs。
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