高压下镓氮化合物的结构设计与物性研究

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随着传统能源材料的日益枯竭和环境污染问题的日益突出,人们对能源材料的需求越来越大。作为能够广泛应用于生产生活中的新型高能量密度材料已成为能源和材料领域的研究目标。氮是一种比较独特的元素,氮原子之间可以形成单键、双键和三键三种形式。氮气中存在最稳定化学键-N≡N,其键能为954KJ/mol,而N-N的键能为160 KJ/mol,所以当N-N单键向N≡N三键转化的过程中会释放出巨大的能量。聚合氮(polymeric nitrogen)在分解过程中,生成的产物为氮气,不会污染环境,含有N-N单键的聚合氮也可以作为一种安全的无污染的清洁能源材料。因此,聚合氮有望成为一种潜在的高能量密度材料,应用于航天航空推进剂、武器发射药、高爆材料领域。本工作选取镓氮化合物为研究对象,采用基于粒子群算法的CALYPSO结构搜索技术结合第一性原理计算方法,对金属镓氮化合物在高压下的晶体结构、稳定性、电子结构等性质进行了系统研究。取得以下的研究结果:1.我们发现了五种新结构,除Pnnm-Ga N2外,其余四种新结构都具有聚合氮结构。四种新型的聚合氮材料为:P-1-Ga N4、P21-c-Ga N4、P-1-Ga N5、P21212-Ga N5,其能态密度分别为2.39 k J/g、3.06 k J/g、2.87 k J/g、3.85 k J/g,表明它们是一种潜在的高能量密度材料。2.我们研究了它们的热力学稳定性和动力学稳定性,发现这四种结构在高压下是稳定的,说明它们可以在高压下进行合成,而且理论上合成的压力都是在当前能达到的压力范围内。同时,它们在常压下是亚稳态的,符合我们想要寻找的从单键向三键转变的高能量密度材料。3.我们接下来对发现的新型聚合氮材料进行了电子结构的分析。在高压条件下,金属镓原子作为电子供体将外层价电子几乎全部转移到聚合氮链上或聚合氮网络上。
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