近日北京高壓科學研究中心的劉錦研究員課題組與南京大學孫建教授，美國德克薩斯大學奧斯汀分校林俊孚教授合作的國際研究團隊在高溫高壓下首次合成了過渡金屬六元氮化物，WN6。他們發現WN6中的氮是以共價單鍵形式連線，形成了扶手椅狀的氮六元環，是一種潛在的高能量密度材料。相關結果以“Tungsten Hexanitride with Single-bonded Armchairlike Hexazine Structure at High Pressure”為題於2月8日發表於《PHYSICAL REVIEW LETTERS》。

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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.065702

我們知道組成氮氣分子的氮原子是以非常穩定的共價三鍵結合而成，在常壓條件下，氮氣非常穩定。然而在高壓下，穩定的三鍵氮分子可以轉化為二鍵氮，甚至單鍵氮。當共價氮-氮單鍵轉變成三鍵時會釋放巨大的能量，因此含有共價氮-氮單鍵的物質被認為是一種高能量密度材料。

理論計算預測表明過渡金屬六元氮化物中含有科學家一直尋找的平面型單鍵六元環氮，是一種潛在的高能量密度材料，且具有高熔點，高化學惰性，高壓縮性，高硬度等優越的物理效能。然而這種被理論所預測的六元氮化物一直未能在實驗上所證實。

“高溫高壓環境往往有助於物質越過能量勢壘，因此我們想嘗試使用高溫高壓的方法來合成理論所預測的六元環氮，”該工作的第一作者，Nilesh Salke博士說到。該團隊在百萬大氣壓下，對過渡金屬鎢的六元化合物的實驗合成進行了深入探索，並在126-165萬大氣壓，約3200攝氏度的條件下成功合成了金屬鎢的六元氮化物，WN6。他們利用先進的同步輻射X射線衍射以及拉曼光譜原位測量，確認了WN6的晶體結構，並證實其中的六個氮原子呈現扶手椅狀的單鍵六元環，金屬鎢原子夾在兩組氮六元環之間，形成三明治結構。

“WN6是首次實驗證實的六元氮化物，是一種很有潛力的高能量密度材料。另外我們進一步的理論計算表明WN6具有非常高的硬度和斷裂韌性。高強度的共價氮-氮單鍵，以及氮六元環之間的排斥作用是這些優異的物理效能的關鍵，”劉錦研究員解釋到。

“我們的研究表明高溫高壓的極端環境確實是合成新材料的有效途徑，尤其是與理論計算相結合，可以實現很多新奇化合物的合成。因此，有望幫助我們尋找更多的高能量密度過渡金屬氮化物，”劉錦研究員補充到。該工作得到了國家自然科學基金等專案的支援。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支援。