Wetenschap
Onderzoekers gebruiken op stikstof gebaseerde verbindingen als nieuwe hoogwaardige energieopslagmaterialen
Onderzoekers van de Universiteit van Bayreuth hebben onder extreme omstandigheden unieke scandiumpolynitriden gesynthetiseerd, met exotische chemie en potentiële toepassingen als materialen met een hoge energiedichtheid.
Materialen met een hoge energiedichtheid (HEDM's) zijn cruciaal in verschillende toepassingen vanwege hun superieure energetische prestaties, waaronder een hoge detonatiesnelheid, detonatiedruk en energieopslagcapaciteit. Hun toepassing in de ruimteverkenning als raketbrandstof en in de verdediging als explosieven is van cruciaal belang voor de moderne samenleving.
De unieke chemische eigenschappen van deze materialen, zoals het vermogen om grote hoeveelheden energie op te slaan in een relatief klein volume, maken ze onmisbaar voor de vooruitgang van de technologie in gebieden die een hoog vermogen en compacte oplossingen voor energieopslag vereisen.
Stikstofhoudende verbindingen behoren tot de meest effectieve keuzes voor HEDM's. Het vermogen van stikstof om verschillende stabiele en energetisch gunstige bindingen van verschillende orde te vormen, enkele N-N, dubbele N=N of drievoudige N≡N, maakt de synthese mogelijk van een breed scala aan verbindingen met op maat gemaakte eigenschappen.
Stikstofrijke materialen zijn in staat een enorme hoeveelheid energie vrij te geven tijdens ontbinding of verbranding (wanneer enkele bindingen worden vervangen door drievoudige bindingen), waardoor ze zeer effectief zijn als drijfgassen en explosieven. De ontleding van stikstofhoudende verbindingen resulteert vaak in de vorming van stikstofgas (N2 ), een stabiel, inert en milieuvriendelijk product.
Voor het beheersen van HEDM's is het molecuulgewicht een zeer belangrijke parameter:hoe lichter de elementen die een vaste stof vormen, hoe hoger de gravimetrische energiedichtheid van de verbinding. Omdat scandium het lichtste overgangsmetaal is, zijn de polynitriden (verbindingen die talrijke enkelvoudig gebonden stikstofatomen bevatten) bijzonder veelbelovend als HEDM's, zoals voorspeld in veel computerstudies. Tot nu toe waren scandiumpolynitriden echter onbekend.
Onderzoekers van de Universiteit van Bayreuth rapporteren over vier nieuwe scandiumnitriden, Sc2 N6 , Sc2 N8 , ScN5 , en Sc4 N3 , in het tijdschrift Nature Communications .
"De twee nieuwe aaneengeschakelde stikstofeenheden N66- en N86- die in deze studie zijn verkregen, breiden de lijst van anionische stikstofoligomeren aanzienlijk uit die een opmerkelijke bijdrage leveren aan het fundamentele begrip van stikstofchemie onder hoge druk", zegt Ph.D. student Andrey Aslandukov, eerste auteur van het artikel.
"Gesynthetiseerde Sc2 N6 , Sc2 N8 , en ScN5 vaste stoffen zijn veelbelovende materialen met een hoge energiedichtheid met een berekende volumetrische energiedichtheid, detonatiesnelheid en detonatiedruk die tot drie keer hoger zijn dan die van de gewone explosieven trinitrotolueen (TNT). Hogedrukchemie toont het bestaan en de diversiteit van polynitriden aan en opent perspectieven voor hun toepassingen in wetenschap en technologie", zegt prof. Leonid Dubovinsky.