硝酸酯键断裂触发的含能增塑剂DNTN多阶热分解机理

采用反应分子动力学模拟、固相原位红外测试和同步热分析-红外-质谱联用技术相结合的方法对2,3-二羟甲基-2,3-二硝基-1,4-丁二醇四硝酸酯(DNTN)的热分解过程进行了研究,分析了其热分解气体产物和固相产物,阐明了其热分解机理.结果表明,DNTN的分解分为3个阶段:第一阶段为诱导分解阶段,温度区间为127～147℃,DNTN发生部分O—N键的断裂,释放少量的NO₂气体;第二阶段在147～220℃之间,DNTN快速分解,发生硝基基团脱去和季碳骨架的分解,并且伴随小环结构的生成和裂解,释放大量的NO₂和CO₂等气体,同时放出大量的热;第三阶段为240～350℃,DNTN剩余固态产物在高温下热解,释放少量的CO₂,并且在300℃后剩余的固相物质会进一步反应生成氰基.     

CL20/DNB共晶的热感度分子动力学研究

共晶技术大幅提高了六硝基六氮杂异伍兹烷（CL20）的热稳定性而且保留了CL20高爆速、高爆压等特性.为了研究CL20/1,3-硝基甲苯（DNB）共晶的热感度降低的原因,采用ReaxFF/lg反应力场模拟CL20/DNB共晶、CL20/TNT共晶、CL20单晶以及DNB单晶系统的热分解过程.研究发现： CL20/DNB共晶的热感度低于CL20/TNT共晶和CL20单晶的热感度,但高于DNB单晶的热感度.通过分析CL20单晶和CL20/DNB共晶的初始反应路径,揭示了共晶有效降低CL20热感度的机理.CL20/DNB共晶和CL20热分解具有相似的主要产物,NO₂、NO₃、N₂、N₂O₂、HNO、H₂O、CO₂和HONO等,通过反应动力学分析得到CL20/DNB共晶和CL20的活化能.     

苯的硝基和叠氮基衍生物的理论研究

在密度泛函理论B3LYP/6-31G*水平下优化了91个苯的硝基(NO₂)和叠氮基(N₃)衍生物的分子几何构型, 预测了它们的密度和生成热, 采用Kamlet-Jacobs方法计算了爆速和爆压, 筛选得到11种爆轰性能较好的高能量密度化合物(HEDC), 计算了它们的多个可能的热解引发键的键离解能(BDE)以及按“氧化呋咱机理”分解时的活化能(E_a). 结果表明, 当分子中有NO₂与N₃相邻时, 分解按“氧化呋咱机理”进行, 分解反应的E_a均大于100 kJ/mol|分子中没有NO₂和N₃相邻时, 热解始于C-NO₂或C-N₃均裂, 裂解的BDE都大于200 kJ/mol. 只含NO₂或N₃的7个物质的稳定性好于同时含NO₂和N₃的物质, 而只含N₃的物质的稳定性又好于只含NO₂的物质, 五叠氮苯和六叠氮苯具有很出色的爆轰性能和稳定性. 无论是能量还是稳定性方面, 筛选得到的11种物质基本符合HEDC的要求.     

氮笼N12的量子化学研究

采用量子化学从头算方法研究了7个氮笼N₁₂,其中包括以前文献中研究过的两个氮笼N₁₂.在RHF/6-31G^*理论水平下进行全构型优化、振动频率分析和热化学计算.计算结果表明,7个结构均是势能面上的局域极小点.N₁₂(D_3d)是所有7个笼状异构体中最稳定的.能量分析表明,如果这些分子能够被合成,将会成为潜在的高能量密度材料.     

3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)热分解机理的对称破缺密度泛函理论研究

共价键均裂在含能分子的热分解过程中普遍存在,因此极为重要.然而,以往的理论研究通常用键能(ΔH,BDE)估算均裂能垒,因忽略了熵效应,必然造成较大误差.采用对称破缺密度泛函方法(BS-UB3LYP/6-311+G**),对含能分子3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)的热分解机理进行了系统研究和梳理,计算了共价键均裂的过渡态及能垒.结果表明,C—NO₂键均裂和随后的自由基复合是最优途径,能垒为216.9 k J?mol^-1 (523 K).随后产生的NO自由基通过多次“复合-均裂”过程促进三唑中间体开环,分解为HNCO,N₂O和CO等小分子,它们相互反应又生成NO₂,N₂和CO₂.这些分解产物与诸多实验观测结果一致.     

CL-20热分解反应机理的ReaxFF分子动力学模拟

为探究固相CL-20热分解反应机理,本文采用反应分子动力学ReaxFF MD模拟研究了含有128个CL-20分子的超胞模型在800–3000 K温度下的热分解过程。借助作者所在课题组研发的反应分析及可视化工具VARxMD得到了热分解过程中多种反应中间物和较为全面的反应路径。氮氧化物是CL-20初始分解的主要中间产物,其中NO₂是数量最多的初始分解产物,观察到的中间物NO₃的生成量仅次于NO₂。统计CL-20初始分解的所有反应后发现,在所有考察温度下CL-20初始分解路径主要是N―NO₂断裂反应和C―N键断裂引起开环的单分子反应路径。N―NO₂断裂反应数量在高温下显著增多,而C―N键断裂引起的开环反应数量随温度升高变化不大。在低温热分解模拟中还观察到CL-20初始分解阶段生成的NO₂会发生双分子反应—从CL-20分子中夺氧生成NO₃。对CL-20热分解过程中环结构演化进行分析后发现,CL-20分解的早期反应中间物主要为具有3元或2元稠环结构的吡嗪衍生物,随后它们会分解形成单环吡嗪。吡嗪六元环结构在热分解过程中非常稳定,这一模拟结果支持Py-GC/MS实验中提出吡嗪存在的结论。CL-20中的咪唑五元环结构相对不稳定,在热分解过程中会发生开环分解而较早消失。由ReaxFF MD模拟得到的3000 K高温热分解产物N₂,H₂O,CO₂和H₂的数量与爆轰实验的测量结果定量吻合。本文获得的对CL-20热分解机理的认识表明ReaxFF MD结合VARxMD有可能为深入了解热刺激下含能材料复杂化学过程提供一种有前景的方法。     

新型类沸石金属-有机骨架材料用于天然气中CO2的分离

研究了在usf型类沸石金属-有机骨架材料(usf-ZMOF)中不同金属离子(Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Al³⁺)对天然气分离(以CO₂/CH₄, CO₂/H₂, CO₂/N₂为研究对象)的不同影响. 结果表明, 此类材料对于3种体系的分离选择性均高于现有材料. 其中性能最好的是Al-usf-ZMOF, 其对CO₂/CH₄, CO₂/N₂和CO₂/H₂的分离选择性分别为290, 1700和16800. 同时, 对于经不同的离子交换后的usf-ZMOF, 吸附选择性随着离子电荷值的增加而增大; 对于同一主族的离子, 选择性随着原子序数的增加而减小. 而上述现象的产生是由阳离子和CO₂间的强静电作用所致.     

3-氨基-4-硝基氧化呋咱含能化合物的设计合成研究

在氧化呋咱环上引入氨基或硝基等功能基团,可提高含能化合物的能量密度和爆炸性能。为了获得更高能量密度的新型含能化合物,本文利用密度泛函理论（DFT）和单、双激发的耦合簇（CCSD）方法探索了以3-酰基叠氮基-4硝基氧化呋咱为起始材料,在二氧六环和水混合溶剂中合成3-氨基-4硝基氧化呋咱的反应机理,给出了反应的势能曲线。结果表明,该反应主要分为两个阶段：3-酰基叠氮基-4硝基氧化呋咱脱N₂后进行Curtious重排产生异氰酸酯;异氰酸酯经水解、羟基扭转、CO₂的脱离形成产物。反应的决速步为CO₂的脱离,能垒为44kcal/mol。因此,加热是实现该合成反应的必要条件。水既绿色环保,又参与反应,是该反应的最佳溶剂。这些结果为3-氨基-4-硝基氧化呋咱的实验合成提供了必要的理论依据。     

Mg-MOF-74对CO2/H2O的吸附性能

以Mg(NO₃)₂·6H₂O和2,5-二羟基对苯二甲酸为原料, 采用溶剂热法制备了金属有机骨架材料Mg-MOF-74. 利用X射线衍射(XRD)、 红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)等测试手段对其结构、 形貌和性能进行了分析, 并利用自制穿透实验装置研究了产物吸附CO₂/H₂O的性能. 结果表明: 合成的样品纯度高, 结构完整, 形貌规则有序, 具有较高的CO₂吸附量. 双组分CO₂/H₂O穿透实验结果证实, 在水蒸气存在情况下, 与沸石13X相比, Mg-MOF-74仍具有较高的CO₂吸附能力, 可用于分离高湿烟道气中的CO₂.     

互穿结构及混合配体对金属-有机骨架材料分离性能的影响

在以前的工作中, 我们利用蒙特卡洛和分子动力学模拟计算了具有互穿性结构及混合配体的金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)分离CH₄/H₂的吸附选择性及扩散选择性. 研究了材料的互穿结构及混合配体对材料用于分离CH₄/H₂性能的影响. 在本工作中, 我们将以前的工作进行了扩展, 详细研究了材料的互穿结构及混合配体对材料用于分离CO₂/CH₄, CO₂/N₂和CO₂/H₂等含有CO₂的气体混合物性能的影响. 此外, 为了进一步阐明材料的结构对于其分离性能的影响, 我们亦研究了材料用于分离CH₄/H₂及CH₄/N₂. 从我们的结果可以看出, 相比无互穿结构的MOFs材料, 具有互穿结构的MOFs材料对所研究的所有混合气体的渗透选择性明显提高. 这是因为具有互穿结构的MOFs材料对混合气体的吸附选择性明显高于无互穿结构的MOFs材料. 结果表明, 如果将材料作为膜用于气体混合物分离, 使材料产生互穿结构是提高材料分离性能的一个很好的策略.     

RDX及其衍生物高温热解的反应分子动力学模拟

本文采用ReaxFF反应分子动力学方法,研究了RDX及其衍生物晶体在高温条件下(2000、2500和3000 K)的热分解机理以及主要产物随时间的变化情况。结果表明:RDX及其衍生物晶体热解的第一步反应均为N―NO_2键断裂生成NO_2分子,随后反应由于六元环上和侧链基团的不同导致侧链脱除或开环反应的顺序不同。在这四种单胞体系热解中,NO_2和NO分子为共同的中间产物,形成之后迅速发生次级反应并最终生成N_2。各体系热解终产物一致,均为N_2、H_2O和CO_2,其中N_2分子数最多,大于20个。由于原始分子结构和组成中C/N比、H/O比的不同,各体系热解后H_2O和CO_2分子数目相差较大。不同温度下,各单胞体系热分解生成的最大含碳团簇中C原子数均较小。在进一步超胞体系的模拟中,RDX和RDX-D2体系生成的含碳团簇中C原子数分别达到约30和16个,远高于单胞模拟,且受温度影响较大;而RDX-D1和RDX-D3单胞或超胞模拟结果相近,均未生成含碳团簇,仅存在小分子含碳碎片。因此,初始分子的结构和元素比对含碳团簇的生成有明显影响。     

变温镁基CO_2吸附剂的制备及应用I.Na/Mg物质的量比

以Mg(NO3)2和Na2CO3为原料,采用正加沉淀法制备镁基CO2吸附剂,利用XRD、SEM-EDS和DTG等方法对吸附剂进行了表征,研究了n(Na)/n(Mg)比对吸附剂的物质组成、形貌和分解温度的影响;在此基础上,通过变温吸附脱附动态循环实验考察了不同吸附剂的CO2吸附性能。实验结果表明,当n(Na)/n(Mg)为8.15时,吸附剂颗粒粒径小、大小均匀、分解温度低,吸附容量达到9.584%(质量分数);经过20次变温吸附脱附循环后,吸附能力仍保持初始吸附量的95.8%,表现出良好的稳定性。     

高稳定性介孔MgO-ZrO_2固体碱的制备及其高温CO_2吸附性能

以无机盐Zr(NO3)4与Mg(NO3)2为原料,聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段型聚醚(P123)作模板剂,合成了纳米介孔MgO-ZrO2复合材料,并通过XRD、N2吸附-脱附、CO2-TPD、TG等方法对材料进行了表征。结果表明,合成的MgO-ZrO2具有介孔结构,比表面积较大;且材料在反复CO2吸附-脱附应用过程中,能够完全再生。此外,材料具有典型的固溶体结构,Mg2+进入四方相ZrO2晶格中并取代Zr4+,形成了一种特殊碱性位。这种碱性位与基体结合牢固,不易流失。考察了MgO-ZrO2材料在150℃高温下的CO2吸附性能,发现材料具有较高的吸附速率(0.084 mmol/(g.min))和吸附量(1.01 mmol/g),是一种可循环利用的吸附材料。     

碳酸盐炼制共热耦合甲烷干重整制高附加值化学品发展展望

传统过程工业,诸如我国水泥、钢铁、耐材和电石等行业,都涉及碳酸盐高温热分解过程,其导致的CO₂排放量超过了全国工业碳排放总量的50%,大量CO₂排放对全球气候产生了不可逆转的影响。因此,如何减少过程工业排放的CO₂并且充分利用碳酸盐热分解的余热面临着巨大挑战。为进一步降低该类过程工业的CO₂排放量同时降低其热分解的能耗,通过利用地球上储量丰富的温室气体CH₄,对碳酸盐进行共热耦合重整制备合成气等高附加值产品,有望成为一种环保经济的技术路线。本文总结了(光/热)碳酸盐炼制耦合甲烷干重整反应、醇类重整反应以及CO₂捕获反应的最新进展,并且对碳酸盐炼制耦合甲烷干重整反应在理论计算方面的研究进展进行了介绍,进一步结合本课题组近期关于碳酸盐共热耦合甲烷重整的最新结果,我们提出了该类耦合反应的发展展望,为实现CO₂的高效转化和减排增效提供了思路。     

Studies on 3-Amino-4-(1H-tetrazol-5-yl)-furazan:Crystal Structure,Thermal Behavior and Energetic Performance

The structure of 4-amino-3-(5-tetrazolate)-fiirazan(HAFT) was characterized by single crystal X-ray diffraction. The thermal decomposition process of HAFT was investigated by MS-FTIR-DSC-TG coupling technique. The result shows that the exothermic process occurs from 278.7-350℃, with a peak temperature of 324.7℃. The thennal decomposition gaseous products of HAFT are NO2, CO2, HCN, CO, NH3 and H2O. The detonation velocity and detonation pressure of HAFT were calculated by the nitrogen equivalent equation. The detonation velocity of HAFT is 7727.46 m/s, which is higher than that of TNT(7178 m/s). The detonation pressure of HAFT(25.27 GPa) is satisfactory. The sensitivity tests reveal HAFT possesses excellent insensitivities to impact and friction.     

CO2和N2电还原中缺陷及界面工程的最新进展

实现碳氮循环是人类社会发展的迫切要求,也是催化领域的热门研究课题。在可再生能源的推动下,电催化技术引起了人们的广泛关注,且可以通过改变反应电压获得不同的目标产品。基于此,电催化技术被认为是缓解当前能源危机和环境问题的有效策略,对实现碳中和具有重要意义。其中,电催化CO₂还原反应(CO₂RR)和N₂还原反应(N₂RR)是一种有前途的小分子转化策略。然而,CO₂和N₂均为线性分子,其中C＝O和N≡N键的高解离能导致了它们高的化学惰性。此外,最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)之间的巨大能量间隙使它们具有高的化学稳定性;且CO₂和N₂的低质子亲和力使它们难以被直接质子化。另一方面,由于CO₂RR和N₂RR与析氢反应(HER)具有相近的氧化还原电位,造成其与HER之间存在竞争性关系,这也是致使催化剂在CO₂RR和N₂RR转化效率低的重要影响因素。因此,CO₂RR和N₂RR仍然面临着过电位高及法拉第效率低等问题。为了克服这些瓶颈,人们为提升CO₂RR和N₂RR电催化剂性能做出了很多努力。众所周知,电催化过程发生在催化剂表面,主要涉及质量传递和电子转移等过程。由此可见,催化剂的性能与其质量和电子传输能力密切相关,而调控催化剂表面结构可以优化活性点的质量和电子转移行为。电催化剂的缺陷和界面工程可通过表面原子工程来实现电子结构调控,对于提高气体吸附能力、抑制HER、富集气体及稳定中间产物等具有重要意义。到目前为止,所报道的各种缺陷和复合电催化剂在提高CO₂RR和N₂RR催化性能等方面均表现出巨大的潜力。在此,我们综述了CO₂RR和N₂RR中催化剂缺陷工程及界面工程的最新进展;首先讨论了四种不同的缺陷(空位、高指数晶面、晶格应变和晶格无序)对CO₂RR和N₂RR性能的影响;然后,总结了界面工程在聚合物-无机复合材料催化剂中的重要作用,并给出了典型实例;最后,展望了原子级电催化剂工程的发展前景,提出了开发和设计高效CO₂RR和N₂RR电催化剂的未来发展方向。     

O2/CO2燃烧气氛对混煤灰中矿物质间反应影响研究

对蒙煤与平七煤两种单煤及其按照不同比例组成的混煤,分别在O₂/CO₂和O₂/N₂气氛下,采用管式炉燃烧制取灰样;对灰样进行灰熔点、XRD及同步热分析（TG/DSC）测试,并进行相关热力学计算,分析了O₂/CO₂燃烧方式对混煤灰中矿物质间反应的影响。结果表明,常规灰熔点测试方法测得的两种气氛下的混煤灰熔点没有明显差别。O₂/CO₂气氛促进了煤灰/混煤灰中钙的碳酸化,且明显抑制了高温下CaCO₃的分解。气氛的改变影响了含钙矿物的转化,进而影响了混煤中钙与莫来石反应生成低温共熔物;O₂/CO₂气氛下钙更易于与莫来石发生反应生成低温共熔物,从而会增加结渣倾向。当混煤中蒙煤比例达到或大于75%时,随着蒙煤比例的逐渐增加,莫来石含量减少,O₂/CO₂气氛对钙与莫来石之间的反应影响减弱,但对含铁矿物的影响更加明显,使其更易于生成含铁玻璃体,从而也会增加结渣倾向。     

氨基修饰的金属有机框架Cu_3(BTC)_2的制备及其CO_2吸附性能研究

首先制备了嫁接氨基的均苯三甲酸,同时以其为原料通过溶剂热法合成了金属有机框架材料Cu_3(NH_2BTC)_2,利用XRD、N_2吸附-脱附、热重、红外、原位红外分析等表征手段对吸附剂进行了表征,并通过固定床测量穿透曲线的方法研究其CO_2吸附性能。结果表明,氨基被成功引入Cu_3(BTC)_2骨架中。氨基修饰的Cu_3(BTC)_2对CO_2有着较高的吸附容量,在10 kPa,50℃的条件下CO_2吸附量为1.41 mmol/g,这源于材料对于CO_2同时存在着物理吸附和化学吸附。     

Poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate)–poly(ethylene oxide) copolymer membranes for selective separation of CO2

A series of copolymers containing ether oxygen groups and amino groups were prepared based on N,N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMEMA) and polyethylene glycol methyl ether methyl acrylate (PEGMEMA). The effect of PEGMEMA content in the copolymer on density, free volume, mechanical performance, and H₂, CO₂, N₂ and CH₄ gas transport properties of the copolymer was determined. Free volume was characterized using the polymer density and group contribution theory. The permeability of the copolymer to CO₂ is high, and both the CO₂/N₂ and CO₂/H₂ selectivities are high. For example, the permeability coefficient of PDMAEMA–PEGMEMA-90 (“90” represents the weight percent of PEGMEMA) to CO₂ is 112 Barrer and the CO₂/N₂ and CO₂/H₂ selectivity coefficients are 31 and 7, respectively. The effect of the temperature on gas transport properties was also determined. Finally, the potential application of the copolymer membranes for CO₂/light gases separation was explored.