化學與材料科學 - 鄭大王乾有研究員、臧雙全教授課題組 AFM：核殼結構製備疊氮化銅激光起爆藥－鑽石舞台

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激光起爆是利用激光能量引爆或引燃含能材料。憑藉其安全性高，能量不易損失、抗干擾能力強等優勢引起了研究人員的廣泛關注。然而，傳統的激光起爆藥劑大多為高輸入能量和低爆轟能力的金屬配合物，不能滿足目前微機電系統（micro-electro-mechanical systems, MEMS）技術發展的需求。疊氮化銅作為目前起爆威力最強的起爆藥，自身存在靜電感度過高（E50=0.05 mJ），激光敏感度低的問題。儘管有很多的研究人員在提高疊氮化銅材料靜電感度方面做了很多研究，但是如何提高其激光感度還有待進一步探索。

近日，鄭州大學化學學院王乾有研究員、臧雙全教授在Advanced Functional Materials 上發表了題為：「Core-Shell Hetero-Framework derived Copper Azide Composites as Excellent Laser-Ignitable Primary Explosives」的研究論文（DOI:10.1002/adfm.202207524）。該論文講述了在氨基修飾的銅基MOF外圍原位生長COF殼層，形成新穎的核-殼結構。之後採用高溫碳化和原位疊氮化的方式來製備具有較低激光閾值和高輸出威力的激光起爆藥材料，並對其光熱轉換性能和激光點火輸入能量進行系統的研究。該策略成功將Cu-MOF內核和COF殼層進行結合，使CA@CShell具有以下優勢：1.碳化之後的COF殼層和MOF框架能夠有效的對靜電荷進行傳輸，極大的降低該材料的靜電感度（1.83 mJ）；2.多孔碳殼層的存在使得在激光照射下不僅能夠快速實現光熱轉換，而且極大提高局部溫度。激光點火實驗表明，通過碳殼層的均勻包覆，該材料的激光點火輸入能量得到有效降低（0.8 mJ，1064nm）。之後將其組裝到MEMS中，利用激光能量可以成功起爆二級炸藥CL-20。

圖1：a) CA@C Shell 的合成示意圖；b，c，d) 分別為Cu-MOF@COF、Cu NPs@C Shell和CA@C Shell的透射電鏡圖像和元素分布能譜。

圖2：a, b）分別為CA@C Shell的粉末X射線衍射圖譜和傅里葉變換紅外圖譜；c, d）分別為CA@C Shell的XPS高分辨Cu、N圖譜；e）CA@C Shell的E50和CA含量與同類型材料對比；d）CA@C Shell和Cu-MOF-CA的交流阻抗圖譜。

對該材料進行深入研究，發現其激光點火能力主要是由光熱轉換性能引起。研究發現，碳殼層包覆的CA@C Shell在各種激光波長的照射下，均呈現出優異的光熱轉換性質。在相同的激光波長和激光能量下，CA@CShell與未經碳殼層包覆的材料擁有更高的光熱轉換溫度和更快的光熱轉換時間。

圖3：a）CA@C Shell在1064 nm激光照射下的紅外熱像圖譜；b，c）分別為CA@C Shell和Cu-MOF-CA經過不同激光照射的光熱轉換圖譜。

圖5：採用高速攝像機對CA@C Shell, Cu-MOF-CA和BNCP的激光點火過程記錄。

為了進一步揭示CA@C Shell的光熱轉換機理，通過Vienna ab initio simulation package (VASP)對其帶隙進行了研究。CA呈現出較寬的帶隙 (0.935 eV)，經過碳殼層的包覆之後，帶隙立即變窄為0.485 eV。窄的帶隙有利於電子從基態躍遷到激發態。與此同時，碳殼層中連續的能帶結構，可以提供更多的電子傳輸通道，加快電子的傳遞，促進光熱轉換的產生。

圖6：a）CA@C Shell的光熱轉換機理；b）CA@C Shell的理論計算結構模型；c）VASP計算得到的CA, C Shell in CA@C Shell和CA in CA@C Shell 整體和部分態密度分布。

鑑於CA@C Shell優異的激光點火性能和爆轟能力，將其組裝進MEMS系統中，同時CL-20作為二級炸藥。經過數毫秒的激光照射後，CA@C Shell起爆產生的巨大衝擊波成功引爆CL-20。

圖7：激光起爆裝置模型。

原文連接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202207524

作者團隊簡介

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臧雙全，鄭州大學化學學院博士生導師、院長，國家傑出青年基金獲得者、英國皇家化學會會士、河南省自然科學一等獎獲得者。主持包括國家傑出青年基金項目、國家基金委重大研發計劃重點項目等多項重要科研項目。擔任中國化學會分子聚集發光專業委員會副主任委員、河南省化學會副理事長、中國化學會晶體化學專業委員會委員、中國化學會分子篩專業委員會委員、Wiley出版社《Aggregate》期刊副主編、《中國化學快報》副主編、ACS出版社《Crystal Growth & Design》期刊Topic Editor、《無機化學學報》編委。近五年發表系列高水平研究論文，包括Nat. Chem.；Natl. Sci. Rev.,Sci. Adv.,Nat. Commun.,J. Am. Chem. Soc.(11篇),Angew. Chem.(14篇),Adv. Mater.(5篇),Chem. Soc. Rev.(3篇)等。所有發表論文被引用超過13000次。參與撰寫3部英文專著。

王乾有，鄭州大學化學學院，研究員。主要專注於金屬有機框架和金屬納米糰簇等先進材料在含能領域的創新應用研究，率先開發出一系列新型高能鈍感起爆藥、自燃材料等。主持國家自然科學基金面上項目、青年項目和河南省優秀青年基金等多個項目。以第一/通訊作者發表共發高水平學術論文20餘篇，其中包括國際頂級期刊J. Am. Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed,Adv. Mater.,Adv. Funct. Mater.,JACS Au等。榮獲中國兵工學會「兵器科學與技術學科全國優秀博士論文」；入選河南省高層次人才中原千人計劃-青年拔尖人才。

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