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博科园|氮原子键中的能量!首次创造出,而且稳定的纯聚合氮

2020-01-11

科学家长期以来一直在理论上认为,储存在氮原子键中的能量有朝一日可能成为清洁能源的来源。但是诱使氮原子连接起来一直是一项艰巨的任务。在液体等离子体火花的一些激发下,德雷克塞尔大学C&J尼海姆等离子体研究所的科学家终于证明了这在实验上是可能的。据发表在《物理学期刊D:应用物理》上的研究,通过在液氮的超冷云中用等离子体喷射一种名为叠氮化钠的化合物,可以生产纯聚合氮-多氮。结果是六个氮原子结合在一起被预测为一种能量密度极高的材料。

尼海姆研究所(Nyheim Institute)相关研究教授、主要作者丹尼尔·多勃雷宁(Danil Dobrynin)博士表示:人们正在探索多氮作为‘绿色’燃料来源、储能的用途。已经经过实验合成(尽管从未以足够稳定的方式恢复到环境条件或以纯氮的形式)六种形式。研究使用液体等离子体的发现为这项研究开辟了一条新途径,可能会促使稳定的多氮合成。先前产生含能聚合物的尝试使用高压和高温来诱导氮原子成键。但这两种方法都没有提供足够能量来激发必要的离子(原子键合剂)来产生稳定形式的氮-6。

并且在这些实验中产生的聚合氮,不能保持在接近正常环境条件的压力和温度下。这就像是试图把两个重物粘在一起,但只够把瓶子里的几滴胶水挤出来。要使键合牢固到足以支撑,需要足够强的力来挤压出大量的胶水,这种力是液体等离子体提供的一种集中的离子爆炸。液体等离子体是指在液体环境中放电的脉冲电火花产生离子稠密物质的发射,这有点像瓶子中的闪电。液态等离子体技术刚刚问世十年,尽管它已经有了很大的希望。它是由Nyheim研究所的研究人员率先开发。

已经探索了IS在各种应用中的用途,从医疗保健到食品处理。因为等离子体被包裹在液体中,所以有可能对环境进行加压,以及控制其温度。这种水平控制是研究人员合成多氮所需的关键优势,因为它能更精确地开始和停止反应,以保存其产生的材料。Dobrynin和合作者首次发表了利用液氮中等离子体放电生产多氮的成功尝试。在最新的发现中,等离子体火花向含有氮的叠氮化钠(三个分子)发射了一股集中的离子束。离子爆炸将氮-3分子从钠中分裂出来,在激发状态下,氮分子可以彼此结合。

由于涉及离子密度和液氮作为反应的猝灭剂存在,这种方法在其他方法不足的地方成功地产生了纯多氮,其他实验引入了高温和高压作为催化剂,但本研究实验是能量、温度、电子和离子的更精确组合。在用拉曼光谱仪(一种通过测量材料对激光刺激的响应来识别材料化学成分的仪器)进行检查时,经等离子体处理材料产生的读数与预测纯多氮读数一致。这一点非常重要,因为到目前为止,科学家们只能以盐的形式合成稳定多氮化合物,但从来没有在近环境条件下以这样的纯氮形式合成。

等离子体在其原始的充气环境中,作为水、食品和医疗设备的灭菌技术已经开发了几十年,同时也在探索用于涂层材料的技术。但这是液体等离子体首次用于合成一种新材料。因此,这一突破可能被证明是等离子体研究的一个转折点。德雷克塞尔工程学院的John A.Nyheim教席教授,C&J Nyheim等离子体研究所主任,研究的合著者Alexander Fridman博士说:这一发现为生产聚合氮作为燃料来源开辟了许多令人兴奋的可能性。这种新的清洁能源密集型燃料可能会使汽车和大众运输进入一个新时代,它甚至可能是必要的突破,使人们能够探索遥远的太空。


博科园|研究/来自:德雷克塞尔大学

参考期刊《物理学期刊D:应用物理学》

DOI: 10.1088/1361-6463/ab349a

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