CN111977620A - 一种五唑锂的高温高压制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及富氮材料制备技术领域，提供了一种五唑锂的高温高压制备方法。本发明将叠氮化锂粉末和液氮装填在金刚石对顶砧样品腔中，然后对样品腔内的混合物进行加压和激光加热，得到五唑锂；所述加压的压力为40GPa以上，所述激光加热的温度为1800K以上，所述叠氮化锂和液氮的体积比为2:1以上。本发明利用高温高压条件使叠氮化锂解离并与纯氮发生重组，从而得到五唑锂；并且本申请通过对叠氮化锂和液氮体积比的控制，确保叠氮化锂解离后能够与纯氮更好的结合，从而保证五唑锂的生成，并提高五唑锂的生成量。

Description

一种五唑锂的高温高压制备方法
技术领域
本发明涉及富氮材料制备技术领域，尤其涉及一种五唑锂的高温高压制备方法。
背景技术
众多理论研究已经预测聚合氮是潜在的高能量密度材料(HEDM)，通过各种实验技术寻找新的聚合氮结构受到了广泛的关注。然而，由于这些聚合氮的合成条件较为苛刻，目前只成功合成了三种聚合氮结构(cg-N，LP-N和HLP-N)。金属掺杂的富氮化合物在设计新的聚合氮结构方面具有优势，因为相对于纯氮组成的结构，金属-氮相互作用能够稳定形成更多形式的富氮结构。已经预测许多新颖的富氮结构基团的存在，例如笼状的N10，链状的N8，环状N5、N6等，其中五元环状N5ˉ由于独特的芳香性而备受关注。
2017年，我国科学家首次在低温条件下经过氧化切断的方法制备出稳定的含五元环状N5ˉ的离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl，但由于其复杂的非含能化学配比，导致它在材料的密度等方面不满足作为高能量密度材料的必备条件。
叠氮化锂(LiN3)是一种典型的金属叠氮化合物，常温常压下是一种白色的固态粉末。加热时在115-298℃温度范围内分解，易吸湿潮解。可溶于乙醇、二甲基甲酞胺和水，不溶于乙醚。在16℃水中的溶解度为66.4g/100g，水溶液呈碱性。LiN3作为含氮比例最高的碱金属叠氮化物，其常温高压行为已通过拉曼光谱和X射线衍射技术进行了深入研究。2009年Medvedev等人报道，LiN3在室温下达到60GPa时常压下的C2/m结构仍然稳定，这与其他碱金属叠氮化物明显不同。近来在理论研究工作中，Zhang等人预测LiN3在36GPa压力下的结构相变，从C2/m空间群转化为到具有类苯环状“N6”六元环的P6/m空间群。尽管对该化合物进行了大量的实验和理论研究，但尚未观察到LiN3中氮的聚合。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种五唑锂的高温高压制备方法。本发明在高温高压下获得了五唑锂结构，且方法简单，安全可靠。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种五唑锂的高温高压制备方法，包括以下步骤：
将叠氮化锂和液氮装填在金刚石对顶砧样品腔中，然后对样品腔内的混合物进行加压和激光加热，得到五唑锂；所述加压的压力为40GPa以上，所述激光加热的温度为1800K以上，所述叠氮化锂和液氮的体积比为2:1以上。
优选的，所述加压的压力为41.14～50GPa。
优选的，所述激光加热的温度为1800～2000K。
优选的，所述叠氮化锂和液氮的体积比为(2～3):1。
优选的，所述对样品腔内的混合物进行加压和激光加热具体为：先进行加压，待压力达到40GPa以上时，进行激光加热。
优选的，所述样品腔的直径为50～100μm。
优选的，所述样品腔的形成方法为：使用金刚石对顶砧压机预压铼片，并在压痕中心钻孔，以该孔作为样品腔。
优选的，所述样品腔中还装填有压标，所述压标为掺铬的红宝石球。
本发明提供了一种五唑锂的高温高压制备方法，包括以下步骤：将叠氮化锂粉末和液氮装填在金刚石对顶砧样品腔中，然后对样品腔内的混合物进行加压和激光加热，得到五唑锂；所述加压的压力为40GPa以上，所述激光加热的温度为1800K以上，所述叠氮化锂和液氮的体积比为2:1以上。本发明利用高温高压条件使叠氮化锂解离并与纯氮发生重组，从而得到五唑锂；并且本申请通过对叠氮化锂和液氮体积比的控制，确保叠氮化锂解离后能够与纯氮更好的结合，从而保证五唑锂的生成，并提高五唑锂的生成量。
附图说明
图1为对比例1中激光加热前后样品的Raman散射光谱；
图2为对比例2中激光加热前后样品的Raman散射光谱；
图3为实施例1中激光加热前后样品的Raman散射光谱。
具体实施方式
本发明提供了一种五唑锂的高温高压制备方法，包括以下步骤：
将叠氮化锂和液氮装填在金刚石对顶砧样品腔中，然后对样品腔内的混合物进行加压和激光加热，得到五唑锂；所述加压的压力为40GPa以上，所述激光加热的温度为1800K以上，所述叠氮化锂和液氮的体积比为2:1以上。
在本发明中，所述样品腔的形成方法优选为：使用金刚石对顶砧压机预压铼片，并在压痕中心钻孔，以该孔作为样品腔；所述金刚石对顶砧压机的砧面直径优选为300μm，所述样品腔的直径优选为50～100μm。
形成样品腔后，本发明将叠氮化锂和液氮装填在样品腔中。在本发明中，所述叠氮化锂和液氮的体积比优选为2:1以上，更优选为(2～3):1。在本发明中，所述液氮既作为反应物也作为传压介质；所述叠氮化锂优选为叠氮化锂粉末。在后续的加压和激光加热过程中，LiN3解离与N2发生重组，本发明将叠氮化锂和液氮的体积比控制在上述范围内，能够保证LiN3解离后与N2进行更好的结合，若叠氮化锂和液氮的体积比超出本发明的范围，则可能得不到五唑锂或五唑锂的生成量很少。
在本发明中，所述样品腔中优选还装填有压标，所述压标为掺铬的红宝石球，所述压标用于测量金刚石压腔内的压力值。在本发明的具体实施例中，优选先添加压标，然后将叠氮化锂装填到样品腔中，最后注入液氮。
装填完成后，本发明对样品腔中的混合物进行加压和激光加热，得到五唑锂(LiN5)。在本发明中，所述加压的压力为40GPa以上，优选为41.14～50GPa，所述加压具体为旋紧金刚石对顶砧，使位于两个金刚石对顶面之间的样品腔获得高压。在本发明中，所述激光加热的温度为1800K以上，优选为1800～2000K；本发明对所述激光加热处理的具体条件没有特殊要求，能够达到要求温度即可。本发明优选先对样品腔内的混合物进行加压，待压力达到40GPa以上时，进行激光加热。本发明通过加压和激光加热，使叠氮化锂解离并与纯氮发生重组，从而得到五唑锂，且激光能够为叠氮化锂的解离和重组提供能够量，使反应更为彻底，促进反应发生，提高五唑锂的含量。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
对比例1
利用砧面为300μm的金刚石对顶砧压机预压铼片，并在压痕中心钻直径为100μm的圆孔，该圆孔作为装入原料的样品腔。首先添加掺杂了少量铬的红宝石球作为压标(用于测量金刚石压腔内的压力值)，再将叠氮化锂粉末和液氮以1:2的体积比填装到样品腔中，进行加压。当压力升高至41.14GPa时激光加热至1800K。激光加热前后样品的Raman散射光谱见图1。
根据图1可以看出，激光加热前的Raman散射光谱中位于283cm-1，383cm-1和1496cm-1处能够观察到明显属于LiN3的振动峰，200～600cm-1范围内的其它宽包都来自于N2，激光加热后位于283cm-1，383cm-1和1496cm-1处的振动峰均消失，仅能够探测到N2振动峰信号，说明LiN3消失，N2依然存在。图1中的结果表明，叠氮化锂分解消失，但未与纯氮发生化学反应。
对比例2
压机、样品腔和红宝石球的装填方式同对比例1，将叠氮化锂粉末和液氮以1:1的体积比填装到样品腔中，然后进行加压，当压力升高至41.14GPa时激光加热至1800K。激光加热前后样品的Raman散射光谱见图2。
根据图2可以看出，激光加热前的Raman散射光谱中位于283cm-1，383cm-1和1496cm-1处能够观察到明显属于LiN3的振动峰，200～600cm-1范围内的其它宽包都来自于N2，激光加热后位于283cm-1，383cm-1的振动峰消失而位于1496cm-1处的振动峰变弱很多，位于1157cm-1和1300cm-1仅能够探测到微弱的LiN5振动峰信号，说明LiN3解离与N2发生重组，有少量的LiN5生成，图2最下方的曲线代表LiN5在理论计算中的Raman振动峰位置。图2中的结果表明，叠氮化锂发生解离，但是仅有少量解离的叠氮化锂与纯氮重组，得到少量五唑锂(LiN5)。
实施例1
压机、样品腔和红宝石装填方式同对比例1。将叠氮化锂粉末和液氮以2:1体积比填装到样品腔中，然后进行加压，当压力升高至41.14GPa时激光加热至1800K。激光加热前后样品的Raman散射光谱见图3。
根据图3可以看出，激光加热前的Raman散射光谱中位于283cm-1，383cm-1和1496cm-1处能够观察到明显属于LiN3的振动峰，200～600cm-1范围内的其它宽包都来自于N2，激光加热后位于283cm-1，383cm-1和1496cm-1处的振动峰消失，位于773cm-1，1157cm-1和1300cm-1仅能够探测到较强的LiN5振动峰信号，说明LiN3解离与N2发生重组，有大量的LiN5生成。图3最下方的曲线代表LiN5在理论计算中的Raman振动峰位置，通过对比可以看出，实验上得到的Raman振动峰位置与理论计算对应的较吻合，所以进一步证实了生成物为LiN5。
实施例2
其他条件和实施例1相同，仅将叠氮化锂粉末和液氮改为3:1。
实施例3
其他条件和实施例1相同，仅将加压的压力改为50GPa。
实施例4
其他条件和实施例1相同，仅将激光加热的温度改为2000K。
对实施例2～4所得产物进行Raman散射测试，所得结果和实施例1相似，均有大量的LiN5生成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种五唑锂的高温高压制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将叠氮化锂和液氮装填在金刚石对顶砧样品腔中，然后对样品腔内的混合物进行加压和激光加热，得到五唑锂；所述加压的压力为40GPa以上，所述激光加热的温度为1800K以上，所述叠氮化锂和液氮的体积比为2:1以上。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加压的压力为41.14～50GPa。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光加热的温度为1800～2000K。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述叠氮化锂和液氮的体积比为(2～3):1。
5.根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于，所述对样品腔内的混合物进行加压和激光加热具体为：先进行加压，待压力达到40GPa以上时，进行激光加热。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述样品腔的直径为50～100μm。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述样品腔的形成方法为：使用金刚石对顶砧压机预压铼片，并在压痕中心钻孔，以该孔作为样品腔。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述样品腔中还装填有压标，所述压标为掺铬的红宝石球。
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