摘要：CCS Chemistry是由中国化学会创办的高水平旗舰新刊，面向全球科学家，收录化学各领域高质量原创科技论文。关注CCS Chemistry，即时获取期刊相关资讯。

以下文章来源于CCSChemistry ，作者CCS Chemistry

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CCS Chemistry是由中国化学会创办的高水平旗舰新刊，面向全球科学家，收录化学各领域高质量原创科技论文。关注CCS Chemistry，即时获取期刊相关资讯。

近日，北京理工大学庞思平教授团队提出电荷均匀排布新策略，创制出一种新型高能氧化剂十二硝基联三唑BITE-202，该化合物不仅具有目前小分子中最多的硝基个数，同时表现出+34.96%的高氧平衡和1.976 g/cm⊃3;的高密度，并且热稳定性优异，可以在空气和水中长时间稳定存在。BITE-202具有作为固体推进剂重要组分的潜在应用价值，为设计合成高能高稳定氧化剂提供新思路。

背景介绍：

多硝基化合物是航天推进剂和固体燃料中不可或缺的关键组分。传统观点认为，分子中硝基数量的增加虽能提高能量输出，但会大幅降低化合物的稳定性，甚至在空气中无法稳定存在，极大限制这些材料在生产、运输和使用中的实际应用潜力。因此，实现硝基数量与分子稳定性的协同优化是新型高能氧化剂合成及应用面临的重要挑战。

图1. 本文的研究背景和设计思路。 (a) 传统多硝基化合物：硝基数量上升而稳定性下降；（b）传统多硝基化合物不稳定的原因（硝基拥挤）以及通过均匀分散硝基提升分子稳定性；（c）本工作：具有12个硝基的电荷均匀分布的BITE-202。

本文亮点：

图2. BITE-202与10NO2-BP的结构特征对比。（a-b）单晶结构；（c-e）电荷特征与静电式分布；（f-g）Π电子离域和NICS图

结构特征：BITE-202采用联三唑骨架，实现了12个硝基的引入，通过均匀电荷分布有效减少了硝基间的强斥力。单晶X射线表明，BITE-202分子中相邻硝基基团之间的最短距离为3.15 Å，相较于10NO₂-BP的2.88 Å，空间排斥显著降低。此外，BITE-202联三唑骨架呈完全平面结构，二面角为0°，而10NO2-BP由于基团强斥力，骨架发生扭曲，二面角高达83.3°。进一步分析电荷发现，BITE-202具有更均匀的电荷分布，其静电势（ESP）最低值为-11.44 kcal/mol，而10NO₂-BP的最低值为-16.93 kcal/mol。此外，BITE-202的无极性表面积占比达到67.48%，显著高于10NO2-BP的55.50%。这种均匀的电荷分布有效提升了分子芳香性，进而有效增强了稳定性。

图3. BITE-202与10NO₂-BP的稳定性对比图 （a-d）热稳定性对比；（e-h）化学稳定性对比

稳定性测试：通过热重分析（TGA）和差示扫描量热分析（DSC），发现BITE-202的热分解温度（164°C）显著高于10NO2-BP（118°C）。高温存储实验表明，BITE-202在70°C下储存180天无明显分解，而10NO2-BP在2小时内释放出大量黄色气体（氮氧化物）。同时，化学稳定性实验表明BITE-202在空气和水中长时间稳定存在，而10NO2-BP则会迅速发生分解。

图4. BITE-202的能量对比图

能量研究：BITE-202表现出卓越的能量水平，其氧平衡（OBco）达到+34.96%，显著高于10NO2-BP（+31.36%）和目前主流氧化剂二硝酰胺铵（ADN, +25.79%），同时，BITE-202的室温密度高达1.976 g/cm⊃3;，远高于ADN（1.808 g/cm⊃3;）。在推进剂配方（氧化剂/铝粉/粘合剂比为80:10:10）下，使用EXPLO5软件进行模拟，BITE-202的比冲（Isp）达到275.2秒，高于10NO2-BP（274.4秒）以及ADN（271.6秒）。其卓越性能得益于高氧平衡、高密度以及均匀分布的分子结构。对BITE-202分解产物进行分析，发现其氧气生成量占总分解产物的18.6%，氧气释放进一步提升了能量输出效率。为了验证BITE-202作为氧化剂的实际应用潜力，进行了热针点火实验，结果表明，BITE-202能够高效点燃纳米铝粉，进一步证实其作为推进剂氧化剂的优异性能。

总结与展望：

综上所述，本工作提出电荷均匀分布新策略，成功打破了多硝基化合物“硝基增多，稳定性下降”的传统认知，为设计新型高能高稳定氧化剂提供新思路。BITE-202不仅在高能量密度和高稳定性方面实现了有机结合，更展现出在航天推进剂领域的潜在应用前景。未来，该策略或可拓展至其他高能材料的研究与开发，为能源和材料科学领域提供更多可能性。

研究成果以Research Article形式发表在CCS Chemistry，论文的第一作者为丁宁博士研究生和徐旭东博士研究生，通讯作者为庞思平教授、李生华教授和孙琦助理教授。本研究获得了国家自然科学基金和北京理工大学青年学者研究基金的资助。

文章详情：

Bucking the Trend: Gathering 12 Nitro Groups Towards an Ultrahigh-Energy Oxidizer with Superior Stability

J Ning Ding†, Xudong Xu†, Xuemeng Kang, Zihao Wei, Qi Sun*, Shenghua Li* and Siping Pang*

Cite This:CCS Chem.2024, Just Published. DOI: 10.31635/ccschem.024.202404772

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.024.202404772

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来源：澎湃新闻客户端