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    学院新闻
    张嘉恒教授团队在含能材料和杀菌防疫等领域取得重要研究进展
    2021-09-06
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        (材料科学与工程学院/文)含能材料是一类快速将化学能转换为热能和机械动能的化合物,常见为炸药、推进剂、烟火剂和气体发生剂,在国防工业,矿业开采及航空航天领域都有着不可替代的作用。其中,高能量密度顿感材料以及高氧平衡氧化剂热稳定性一直都是含能材料研究领域的难题。近日,哈尔滨工业大学(深圳)张嘉恒教授团队研究人员分别对目前含能材料这两个难题予以重点研究和关注,并取得重要研究进展。

    团队研究人员注意到相比其它含能基团,羰基的能量虽然较低,但其能够显著增加含能材料的密度,氧平衡,并且降低感度。该团队研究人员通过一种极其简单的方法,将氨基转化成羰基,化合物的密度由1.81g cm-3显著提高到1.95g cm-3,而且该化合物分解温度高达275℃,撞击和摩擦刺激相对顿感,加上其制备工艺简单(1A),所以具有巨大的应用前景,该研究成果于近期发表于国际顶级期刊杂志《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)

    硝仿基团因其较高的氧含量和简单的制备方法,作为一种极为优秀的氧化剂,一直以来受到广泛的关注。然而由于三个强吸电子硝基的作用,使得目前报道的所有硝仿类化合物的热分解温度都很低(80-150℃),满足不了现代含能材料的热稳定性的基本要求(180℃以上)。针对上述问题,团队研究人员利用多氮化合物的特性,在国际上首次采用多氮化合物与硝仿形成氢键骨架材料,将硝仿阴离子紧密的包覆在形成的骨架空腔中去,由于多重氢键和包覆的作用,使得该化合物的分解温度高达200℃(图1B),是目前唯一一个分解温度超过180℃的硝仿类化合物,该研究为稳定硝仿等氧化剂分子离子提供了新的思路。该研究成果于今年初发表在Nature Communications上。

    1. 新型极具潜力的高能量密度顿感化合物和氢键骨架结构包覆的硝仿阴离子

    近一年多以来,新冠病毒在全球范围内不停爆发和肆虐,对人们的生命安全和全球经济造成重大威胁,全世界科学家都在通过各种方式不停的探索和寻找应对新冠病毒的方法。张嘉恒教授作为资深含能材料专家,已在国际顶级期刊杂志《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)和《德国应用化学》 (Angewandte Chemie International Edition)发表十余篇有着重要影响力的研究文章,对含能材料的发展和应用有着深刻的见解。团队注意到卤素化合物,尤其是碘,是一类性能优异的杀菌材料,然而由于碘易挥发,不易保存的性质,使得其作为杀菌材料不能长久储存,而且目前防疫杀菌的方法多为人工抛洒,耗时耗力,不能做到大规模杀菌,效率低下。鉴于此,张嘉恒教授及其团队研究人员运用含能材料与杀菌材料巧妙的结合,成功研制出具有极大应用价值的大规模抛洒性能的新型防疫杀菌材料,为杀菌防疫提出新的思路。其研究成果分别发表在国际著名期刊《ACS 应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interface )和《化学工程期刊》(Chemical Engineering Journal)上。


    2. A,离子交换获取高密度杀菌材料;图B,新型高能杀菌材料的爆炸物-碘的抛洒瞬间及固-液态杀菌效果展示;图C,高能量密度含碘共晶化合物;图D,高能量密度共晶杀菌化合物性能对比


    在这两篇文章里,团队率先提出将富碘富氧含能基团-碘酸根,通过离子交换引入到含能金属骨架中去,获得的含碘酸根离子的新型含能有机骨架材料(MOFs)由于具有较高的密度和氧平衡,其爆轰速度是首次超过TNT传统含能材料的高能杀菌材料,这为爆炸主要产物-碘的抛洒提供极为重要的动能,使得其能够大范围抛洒杀菌(图2A, 2B)。最后,该团队研究人员通过认真研究化合物的酸碱性发现,碘酸及高碘酸为中强酸,而部分含能化合物为极弱的减,因此,他们再一次率先提出将碘酸和高碘酸与弱碱性含能化合物共晶,得到的共晶材料(图2C-2D),碘含量和氧平衡进一步提高,是首例爆速突破7000m s-1且含碘量在50%的高能杀菌材料。鉴于以上两种方法得到的高能杀菌材料,其制备简单,爆轰性能及热稳定性优异,作为大规模防疫杀菌材料,展现出极大的应用价值。

     张嘉恒教授团队近一两年以来,在含能材料领域取得了丰硕的研究成果。

    详见文章链接:

    https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c12251

    https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894720327510

    https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c05292

    https://www.nature.com/articles/s41467-021-22475-8

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202014207