基于碳硼烷的纳米团簇用于火箭自燃材料学术资讯

来源：X一MOL资讯

原子级精确的金属团簇具有优美的结构和独特的电子能带，有利于研究结构与性质之间的关系，引起了科学家的研究兴趣。目前，金属团簇的研究主要集中在新颖结构的设计和制备，及其在发光、催化等领域的研究，关于这类材料在火箭推进剂中的应用尚未报道。近5年来，郑州大学的臧双全教授团队以潜在的应用功能为导向，设计功能有机配体保护金属团簇，获得了一系列具有优异性能的纳米金属团簇材料，探索了这类材料在氧气检测、化学战剂降解和圆偏振发光等领域的潜在应用，做出了一系列十分有特色的研究工作（代表性的工作有Nat. Chem., 2017, 9, 689-697; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 14505–14509; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 12143 –12148；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10052-10058）。
近日，该团队利用具有高能量密度但无法自燃的邻碳硼烷炔为保护配体，制备出两例纳米金属团簇（CBA-Ag和CBA-CuAg），它们均能与白色发烟硝酸发生自燃反应，是一类潜在的火箭发动机燃料。其中，铜银合金团簇的点火延迟时间低至15 ms。

图1. 通过高速摄影照片展示的邻碳硼烷、邻碳硼烷炔、CBA-Ag和CBA-CuAg的点火延迟过程。
自燃材料是一类与氧化剂接触之后能够迅速自发可持续燃烧的物质，这类材料在推进剂系统中至关重要。邻碳硼烷具有大量B-H、B-C及B-B键，储存了大量的能量，是一种潜在的自燃材料。但由于其稳定的类芳香闭合结构，与硝酸反应无法发生自燃反应。在本研究中，作者选用邻碳硼烷炔为配体，制备了一例银纳米团簇 [Ag14(C4B10H11)12(CH3CN)2]•2NO3 (CBA-Ag)和一例Cu-Ag合金纳米团簇[Cu6Ag8(C4B10H11)12Cl]NO3 (CBA-CuAg)，其中团簇金属内核的催化作用可以促进热点的快速形成，进而引发自燃反应。以白色发烟硝酸作为氧化剂进行点火试验，测试表明CBA-Ag和CBA-CuAg的点火延迟时间分别为140 ms和15 ms，实现了邻碳硼烷从无法自燃到快速自燃的转变。理论计算发现，团簇内金属的参与显著降低了价带位置，减小了材料带隙，增加了反应活性，促进与氧化剂发生自燃反应。
该成果不仅拓宽了金属纳米团簇的应用领域，而且为设计和制备具有点火性质的推进剂材料提供了全新的研究思路。
相关工作近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，通讯作者为臧双全教授，王乾有博士后和王杰博士研究生为共同第一作者。

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