NTO表面和分子空位對其熱反應動力學的影響

0 1引言 NTO作為一種新型的火炸藥，其爆速和爆壓與HMX相近，對沖擊、火花、熱和沖擊的敏感性低于RDX和HMX，近幾十年來備受關(guān)注。國內(nèi)外對NTO單分子的熱分解機理進行了大量的實驗或理論研究，但考慮到NTO晶體中分子間的相互作用，其分解機制仍不清楚，可能不同于單分子的分解機制。由于材料固有的物理化學性質(zhì)和工業(yè)技術(shù)的微小缺陷，合成的NTO晶體存在晶面和分子空位。相關(guān)研究表明，空位和表面效應在一些含能材料的起爆過程發(fā)揮重要作用。因此，我們通過第一性原理計算研究了NTO表面和分子空位對其熱反應動力學的影響。 0 2成果簡介

在我們的工作中，基于自洽電荷密度泛函緊束縛(SCC-DFTB)的分子動力學模擬，研究了NTO晶體的熱分解機制，并研究了表面和分子空位對其熱穩(wěn)定性的影響。觀察到最初的分解反應主要是分子內(nèi)化學鍵的斷裂，并提出了三個主要的反應途徑：硝基的裂解、環(huán)內(nèi)C3-N2鍵的斷裂和H原子轉(zhuǎn)移到羰基，其中C5 - N5鍵斷裂在高溫下起主導作用。在分子空位和表面，我們發(fā)現(xiàn)硝基基團裂解和H原子轉(zhuǎn)移的反應勢壘都低于理想的NTO晶體，表明它們可以對NTO晶體的熱穩(wěn)定性和分解反應動力學有效的調(diào)控。我們的工作可能對設計具有更好的性能、安全性和可用性的高能量密度材料有所啟發(fā)。

0 3圖文導讀

圖1. (a) NTO分子結(jié)構(gòu) (b) NTO的2×2×2超胞 (c) NTO的(100)和(001)表面 (d)具有三個分子空位的NTO超胞

圖2. NTO晶體初始熱分解反應階段的主要反應通道

圖3. DFT計算不同NTO結(jié)構(gòu)的分解反應勢壘

圖4. 電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)分析。初始分解過程中 (a) C?NO2基團和 (b) 其它原子的平均凈電荷演化。(c) 電荷轉(zhuǎn)移演化原理圖。(d) 理想晶體和 (e) (100)表面NTO分子的硝基斷裂反應過渡態(tài)結(jié)構(gòu)C5?H5化學鍵的COHP

0 4小結(jié) 在我們的工作中，利用鴻之微DS-PAW軟件進行分子動力學模擬，得到基于從頭算的軌跡結(jié)構(gòu)以及對應的能量、原子受力等信息。基于自洽電荷密度泛函緊束縛(SCC-DFTB)的分子動力學模擬，研究了NTO晶體的熱分解機制，并研究了表面和分子空位對其熱穩(wěn)定性的影響。觀察到最初的分解反應主要是分子內(nèi)化學鍵的斷裂，并提出了三個主要的反應途徑：硝基的裂解、環(huán)內(nèi)C3 - N2鍵的斷裂和H原子轉(zhuǎn)移到羰基，其中C5-N5鍵斷裂在高溫下起主導作用。對于分子空位和表面結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)其硝基基團裂解和H原子轉(zhuǎn)移的活化勢壘低于理想的NTO晶體，表明它們可以對NTO晶體的熱穩(wěn)定性和分解反應動力學有效的調(diào)控。此外，基于DFT的電子結(jié)構(gòu)計算驗證了上述反應機理以及分子空位和表面的影響。