高压物理学报

聚合氮和氮的化合物专题

　氮是地球大气的主要成分，还是生命大分子、氮肥、炸药等重要化合物中不可或缺的元素，与人类生产生活密切相关。在常温常压下，氮原子以 N≡N 键态结合成双原子分子气体。共价 N≡N 键是最强的化学键之一，其键能约为 946 kJ/mol，远高于 N―N 键和 N＝N 键。巨大的键能差异预示着聚合氮和富氮化合物向氮气转变时将释放大量化学能。因此，聚合氮和富氮化合物是极具发展前景的环境友好型高能量密度材料。寻找合适的方案克服 N2 分子解离所需的能量壁垒，以及系统地探索聚合氮和氮化物的结构与性能，进而深入理解含氮材料结构相变和化学反应的过程与机理，是筛选与应用高稳定性、高能量密度材料的关键。高压在聚合氮和氮化物的理论设计与实验合成中发挥着独特优势。2004 年，利用极端高温高压条件，人们首次合成出聚合氮材料—立方偏转氮（cg-N）；而后，笼状类金刚石聚合氮、层状结晶聚合氮、黑磷结构聚合氮和非晶态聚合氮等相继被预言或合成。然而，聚合氮需在百万大气压强（100 GPa）以上的极端环境下制备，合成条件苛刻。研究发现，在氮气中引入金属元素能为 N≡N 反键轨道提供电子，进而诱导 N2 分子解离。这种“化学预压缩”效应可以有效地调控反应势垒，降低聚合氮的合成压强，由此激发了科学家们在活泼金属（如碱金属、碱土金属等）氮化物中寻找高能量密度材料的兴趣。近年来，我国科学家应用自主研发的智能结构预测方法，在聚合氮和氮化物的理论设计和实验制备领域开展了系列前沿性探索，例如：理论预言了全新化学计量比的镓氮化合物，指导实验成功合成出 GaN5 和 GaN10，创造了 p 区元素氮化物的能量密度纪录；预言了 HeN22 是一种部分离子氮笼结构，考虑到惰性气体元素与氮框架相互作用较弱的特点，提出了“剥离惰性气体原子，获得常压下稳定的新型聚合氮框架”的策略。为了吸引更多学者关注该领域的进展，我们借助《高压物理学报》平台，设立聚合氮和氮的化合物专题。本专题立足于形式各异的聚合氮及氮化物的高压相结构和物性，介绍氮分子的高压解离和相变机制以及氮化物中新奇有趣的化学成键模式。希望本专题能够激发更多学者对聚合氮和氮化物的研究兴趣，推进相关领域的发展。感谢在本专题筹备和撰写过程中做出贡献的所有人员！

李全　　　　　　　

吉林大学物理学院　　　　

物质模拟方法与软件教育部重点实验室

2024 年 7 月 9 日　　