碱土金属二氮烯氮化物的高温高压合成及高压研究

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近年来,人们一直致力于探索新材料和新能源的开发,以满足当今社会的高速发展和可持续发展的需求。金属二氮烯氮化物因同时具有含能性质和导电性质而具有十分广阔的应用前景。然而,我国关于金属二氮烯氮化物的研究还处于起步阶段,还有很多问题需要研究探索,比如金属二氮烯氮化物的合成制备、高压下的相变规律、还有导电机理等等。本论文在课题组前期对碱土金属叠氮化物的研究基础上,在高温高压的条件下,通过控制碱土金属叠氮化物的分解以此制备相应的碱土金属二氮烯氮化物;采用原位同步辐射X光衍射技术对合成的碱土金属二氮烯氮化物进行高压研究。本论文的研究为系统探索金属二氮烯氮化物在高压下的性质提供实验依据,为制备新的导电含能材料提供实验支持和新思路。本论文首先以叠氮化锶Sr(N32为初始反应物。采用对称式金刚石对顶砧压机结合激光加热技术提供高温高压实验条件,通过同步辐射X光衍射对合成的样品进行表征,发现该方法合成的二氮烯锶SrN2含有未完全反应的初始反应物Sr(N32。于是改进实验方法,采用Walker型6-8压机作为提供高温高压的实验装置,通过同步辐射X光衍射对合成的样品进行表征,结果显示成功合成SrN2。然后,以叠氮化钙Ca(N32为初始反应物,采用对称式金刚石对顶砧压机结合激光加热技术提供高温高压的实验条件,通过同步辐射X光衍射对合成的样品进行表征,发现该方法合成的二氮烯钙CaN2含有部分初始样品Ca(N32的衍射峰。本论文采用对称式金刚石对顶砧压机和同步辐射X光衍射技术对合成的二氮烯锶SrN2进行高压研究。实验最高压力为43.2 GPa。结果显示SrN2在12.0 GPa发生四方相-正交相的压致结构相变。我们认为结构相变的主要原因是SrN2中二氮烯离子([N2]2-)的旋转和锶离子(Sr2+)的重新排列。卸压后,样品的衍射峰恢复表明相变的可逆性。SrN2表现出各向异性压缩率是由于二氮烯离子[N2]2-的有序排列及其相互斥力。通过Birch-Murnaghan方程计算SrN2的体弹模量为128.8(12.7)GPa。发现SrN2的体弹模量值在叠氮化锶Sr(N32和过氮化铂PtN2的体弹模量值中间,其中PtN2的体弹模量值最大。然而,阴离子基团中N-N之间的距离由短至长依次为:Sr(N32-SrN2-PtN2。为了更透彻的理解三个物质的体弹模量值大小的关系以及金属和氮原子之间的化学键的关系,我们计算了三个物质的晶体轨道哈密顿布居数(COHP)以及晶体轨道哈密顿布居数的积分值(ICOHP)。COHP图显示三个物质中金属原子和氮原子之间均存在较强的共价键;ICOHP值显示三个物质中金属原子和氮原子之间的共价键由强到弱依次为:PtN2-SrN2-Sr(N32。因此,我们认为SrN2具有较强的体弹模量是因为其金属原子和氮原子之间具有较强的共价键。
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