全氮陰離子鹽（Pentazolate Anion）是由南京理工大學化工學院胡炳成教授團隊于2017年1月27日成功合成的一種新型超高能含能材料。該材料具備高密度、高能量、爆轟產物清潔無污染、穩定安全、高正生成熱等特點，是高性能高密度綠色含能材料之一。
全氮陰離子鹽創造性采用間氯過氧苯甲酸和甘氨酸亞鐵分別作為切斷試劑和助劑，通過氧化斷裂的方式首次制備成功室溫下穩定全氮陰離子鹽。全氮陰離子鹽的成功合成，不僅為全氮陰離子高能化合物的制備奠定了堅實基礎。
全氮陰離子鹽是炸藥、發射藥、推進劑和火工品高能量組分之一。主要應用于高能鈍感炸藥、小型推進系統固體酒精、無煙煙火劑、氣體發生劑、無焰低溫滅火劑。
發展歷史
1772年，Rutherford等首次在他的論文中提到了N2分子，這是人類發現的首個全氮化合物分子。1890年，Cuitius和Radenhausen發現了N3-，這是第一個被發現的全氮離子。但在這之后的幾年中，全氮化合物并不為人所關注，關于這方面的研究止步不前。直到第二次世界大戰后，全氮物質的研究成為學者們關注的重點，且隨著計算機技術的發展，量子化學計算逐漸應用于合成領域。學者們通過量子化學計算對全氮類化合物的結構、穩定性、密度以及鍵能等參數進行理論預測，為合成指明了方向，使科研人員不再盲目摸索。而國內外全氮類化合物的合成工作有了質的發展，大量全氮類化合物被成功合成。
在全球范圍內，全氮陰離子的獲取一直是科學界面臨的難題。1890年，首次發現第一種全氮離子N3-，后期相關研究在很長一段時間內陷入停滯。盡管科研工作者對從N3到N13的各種全氮衍生物進行了大量的理論預測，但實際上成功制取這些化合物的成果卻寥寥無幾。1956年，用于制備全氮離子的前驅體——芳基五唑首次被成功合成。
1998年，Christe等人在低溫條件下合成了線型結構的全氮陰離子N5+，該物質極不穩定且易爆，釋放大量能量。隨后，Christe及其他學者致力于通過理論計算研究其穩定性。1999年，美國空軍研究實驗室首次合成了線狀N5+陽離子，旨在開發無毒的新型火箭燃料以替代肼類燃料。2002年，Cacace等人利用高能電子束轟擊N2獲得了亞穩態的全氮陰離子N4+，并驗證了其線型結構。
2003年，Straka等人利用量子化學方法計算了五唑負離子與不同基團結合后形成化合物的穩定性，并進行了熱力學和動力學的穩定性分析。2014年，楊雨璋等人成功合成了4-N,N-二甲基-氨基苯基五唑晶體，并對其進行了熱力學穩定性研究，利用DSC、Raman、FTIR等手段檢測了其分解過程。同年，Zhang等人通過量子化學計算探討了苯環上不同取代基對芳基五唑穩定性的影響，提出了芳基五唑的熱分解機理，研究結果顯示其穩定性有所提升。
2017年1月27日，南京理工大學化工學院胡炳成教授團隊成功合成世界首個全氮陰離子鹽。該團隊采用間氯過氧苯甲酸和甘氨酸亞鐵作為試劑，通過氧化斷裂方法制備出室溫下穩定的全氮陰離子鹽。
理化性質
物理性質
全氮陰離子鹽是一種橙色金屬配合物，其計算密度為1.694 g/cm3（在173 K下測定）。該配位化合物具有獨特的晶體結構，通過單晶X射線衍射確定包含兩個平面的五邊形N??環和四個對稱位于中心金屬離子（Co2?）周圍的配位水分子。鈷離子作為中心，通過兩個σ鍵連接兩個N??環，并結合四個H?O分子，形成完全對稱的線性結構。此外，結合水和自由水在穩定五唑陰離子方面發揮重要作用，形成了復雜的一維鏈和二維網氫鍵網絡。熱分析顯示，該配合物在50℃時失去晶格水，并在60至145℃間進一步分解，特別是在約150℃時出現劇烈反應和大量能量釋放。
化學性質
全氮陰離子鹽配位化合物在空氣中表現出良好的穩定性，但熱分析揭示其潛在爆炸性，分解過程分為兩步，先失去晶格水，隨后環N??分解為N?氣體和鈷疊氮化物。加熱時，該化合物發生強烈放熱反應并最終爆炸，釋放巨大能量，表明其作為高密度能量材料的潛在應用價值，同時也伴隨著高度的安全風險。紅外光譜特性在700-3668 cm?1范圍內展現出明顯的吸收帶，證實了晶體中環N??和H?O的存在，這些吸收帶可歸因于O-H…O基團及環N??平面的振動，并觀察到與水分子彎曲和伸縮模式相關的特征帶。
應用領域
全氮陰離子鹽作為新型含能材料，是用作炸藥、發射藥、推進劑和火工品高能量組分的化合物，是武器發射、推進和毀傷的能源。主要應用于高能鈍感炸藥、小型推進系統固體酒精、無煙煙火劑、氣體發生劑、無焰低溫滅火劑。
制備方法
全氮陰離子鹽是采用間氯過氧苯甲酸和甘氨酸亞鐵分別作為切斷試劑和助劑，通過氧化斷裂的方式首次制備成功室溫下穩定的全氮陰離子鹽，這種鹽分解溫度高達116.8℃，能量密度為TNT炸藥的3倍以上，爆炸產物僅為氮氣且無污染。
合成過程是在甲醇/H?O溶液中，使(N??)(H?O)?(NH?)Cl與Co(NO?)?·6H?O在室溫下進行復分解反應，然后在30°C下除去揮發性產物。通過在15°C下緩慢蒸發丙酮溶液獲得適合X射線衍射分析的晶體。該晶體在正交空間群Fmmm中結晶，晶胞中有四個分子，計算密度為1.694 g/cm3（173 K）。
參考資料 >
Pentazolate Anion.kressworks.2024-09-29
EVA爆強核武終實現!中國團隊首合成全氮陰離子鹽.微信公眾平臺.2024-10-12
我合成全球首個全氮陰離子鹽.搜狐網.2024-10-12