一种聚合氮的制备方法及聚合氮

本发明属于含能材料，特别涉及一种聚合氮的制备方法及聚合氮。

背景技术：

1、氮气分子(n2)中氮氮三键(n≡n)的平均键能高达946kj/mol，表现出极高的化学稳定性，被广泛认为是自然界中最稳定的双原子分子之一。氮氮双键(n＝n)的平均键能419kj/mol，氮氮单键(n–n)的平均键能仅为159kj/mol。当由氮气分子(n≡n)转化为氮氮单键(n–n)时会形成一种聚合氮材料，该转化过程会储存巨大能量；相反当这些全氮化合物在合适条件下发生分解，以氮氮单键结合的聚合氮能够转变为稳定的氮氮三键分子(n2)，此过程中会释放出高达约800kj/mol的能量。因此，仅氮氮单键键合的全氮化合物在理论上具有极高的能量存储和释放能力，被广泛认为是一种具有潜在应用价值的高能量密度材料。

2、目前，聚合氮的合成通常需要在高温高压等极端条件下进行制备。2004年，eremets等人报道以分子氮气为前驱体，压力约为110gpa，温度为2000k的条件成功合成了cg-pn，遗憾的是，cg-pn不能在常压下稳定存在。

技术实现思路

1、鉴于以上分析，本发明旨在提供一种聚合氮的制备方法及聚合氮，用以解决以下技术问题之一：(1)合成聚合氮(即cg-pn)的条件较为苛刻；(2)现有技术制备的cg-pn含量较低。

2、本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

3、一方面，本发明提供了一种聚合氮的制备方法，该制备方法通过将叠氮化合物和碳纳米管在高压下从高温淬火到室温，得到聚合氮。

4、进一步的，叠氮化合物包括kn3、nan3、lin3和nh4n3中的一种或多种。

5、进一步的，碳纳米管包括单壁碳纳米管、羧基化单壁碳纳米管、羧基化多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管、石墨化多壁碳纳米管、石墨化羧基多壁碳纳米管、碳纳米管膜和高导电碳纳米管膜中的一种或多种。

6、进一步的，高压的压强范围是1gpa～30gpa。

7、进一步的，高温的温度范围为100℃～500℃。

8、进一步的，叠氮化合物和碳纳米管的质量比为1：0.2～0.5。

9、进一步的，制备方法还包括：淬火到室温后，卸压，得到聚合氮。

10、进一步的，卸压速度为0.5gpa/min～1gpa/min。

11、进一步的，淬火的降温时间控制在1min之内。

12、本发明还提供了一种聚合氮，聚合氮采用上述制备方法制备得到。

13、与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

14、1)本发明的制备方法中，通过将叠氮化合物和碳纳米管混合后在高压下从高温淬火到室温，得到聚合氮，通过提供压力这一自由度，结合使用碳纳米管，使n3-中的氮氮双键解离后形成氮氮单键材料，得到聚合氮。本发明的制备方法将聚合氮的制备条件由110gpa降低到1gpa～30gpa，大大降低了合成难度。

15、2)本发明的制备方法获得的cg-pn含量更高，例如，raman谱图中，对应cg-pn的a模式的raman峰是原料特征峰的0.7～4倍。且本方法制备的cg-pn材料不仅限于在高压条件下保持其稳定性，即使在解除合成过程中施加的高压后，cg-pn仍然能够在常压环境下保持其结构和性能，突破了传统技术中聚合氮仅能在极端高压下存在的局限性。这一特点使得该材料在实际应用中更具操作性和灵活性，能够在能源存储、高能量密度含能材料等领域开辟新的应用前景。

16、3)本发明的方法中，cg-pn合成反应速率快，可以提高合成效率。本发明的方法具有良好的可操作性和工业应用前景，有望在高能量密度含能材料的制备领域带来新的突破，并为能源材料的研究和开发提供重要的技术支持。

17、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种聚合氮的制备方法，其特征在于，所述制备方法通过将叠氮化合物和碳纳米管在高压下从高温淬火到室温，得到聚合氮。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述叠氮化合物包括kn3、nan3、lin3和nh4n3中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、羧基化单壁碳纳米管、羧基化多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管、石墨化多壁碳纳米管、石墨化羧基多壁碳纳米管、碳纳米管膜和高导电碳纳米管膜中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高压的压强范围是1gpa～30gpa。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温的温度范围为100℃～500℃。

6.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述叠氮化合物和所述碳纳米管的质量比为1：0.1～0.5。

7.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：淬火到室温后，卸压，得到聚合氮。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，卸压速度为0.5gpa/min～1gpa/min。

9.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法，其特征在于，淬火的降温时间控制在1min之内。

10.一种聚合氮，其特征在于，所述聚合氮采用权利要求1至9任一项所述的制备方法制备得到。

技术总结
本发明公开了一种聚合氮的制备方法及聚合氮，属于含能材料技术领域，解决了以下问题之一：(1)合成cg‑PN的条件较为苛刻；(2)现有技术制备的cg‑PN含量较低。本发明的制备方法通过将叠氮化合物和碳纳米管在高压下从高温淬火到室温，得到聚合氮。本发明的制备方法制备的cg‑PN产量高，可在常规条件下回收，在含能材料领域具有潜在应用价值。

技术研发人员：张俊,王泽龙,冯少敏,靳常青
受保护的技术使用者：中国科学院物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/3/27