八硝基立方烷高温热分解分子动力学模拟

doi:10.3866/PKU.WHXB201512251

摘要/Abstract

摘要：

随着对高能量密度材料的性能要求不断提高,新型高能量密度材料成为近期研究热点,其中八硝基立方烷(ONC)由于其优越的性能成为其中典型的代表,然而关于八硝基立方烷热分解的动力学机理研究比较少。本文采用ReaxFF反应力场模拟高温条件下凝聚相八硝基立方烷初始热分解过程。研究发现热分解过程中八硝基立方烷笼状骨架结构中C-C键最先发生断裂,并逐步破坏形成八硝基环辛烯等,随后出现NO₂和O等,计算结果表明笼状骨架结构的破坏存在三种不同路径。八硝基立方烷在高温条件下热分解的主要产物有NO₂、O₂、CO₂、N₂、NO₃、NO、CNO以及CO等,其中N₂和CO₂是终态产物,不同温度对产物均产生不同程度的影响。

关键词: ReaxFF, 高温热分解, 分子动力学, 八硝基立方烷, 反应机理

Abstract:

As the requirements for the performance of high-energy-density materials increase, research to develop new types of high-energy-density materials has become highly heated recently. Octanitrocubane, by virtue of its superior performance, is one of the typical representatives of recently developed high-energy-density materials. However, there have been few studies on the thermal decomposition mechanism of octanitrocubane, even though they are essential to analyze the thermostability and sensitivity of octanitrocubane, as well as to achieve its efficient application. In this study, the initial pyrolysis process of condensed-phase octanitrocubane at high temperature was investigated using ReaxFF reactive molecular dynamics simulation. The results showed that it is the C-C bond of the octanitrocubane cage skeleton structure that breaks first, and then octanitrocubane cage skeleton structure is gradually destroyed, and the small molecules such as NO₂ and O occur afterwards. The simulation identified three different damage pathways of the cage skeleton. The main products of octanitrocubane thermal decomposition at high temperature are NO₂, O₂, CO₂, N₂, NO₃, NO, CNO, and CO, of which N₂ and CO₂ are the final products. The products that form depend on temperature.

Key words: ReaxFF, Pyrolysis, Molecular dynamics, Octanitrocubane, Reaction mechanism

杨镇,何远航. 八硝基立方烷高温热分解分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2016, 32(4), 921-928. doi: 10.3866/PKU.WHXB201512251

Zhen YANG,Yuan-Hang HE. Pyrolysis of Octanitrocubane via Molecular Dynamics Simulations[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32(4), 921-928. doi: 10.3866/PKU.WHXB201512251

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201512251

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2016/V32/I4/921

参考文献

1	Qiu L. ; Xu X. J. ; Xiao H. M. Chin. J. Energy Mater 2005, 13, 262.
1	邱玲; 许晓娟; 肖鹤鸣. 含能材料, 2005, 13, 262.
2	Zhang J. Quantum Chemical Studies on the Structures and Properties of Organic Caged Energetic Compounds Including Polynitrocubanes. Ph. D Dissertation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 2003.
2	张骥. 多硝基立方烷等有机笼状高能化合物结构和性能的量子化学研究[D].南京:南京理工大学, 2003.
3	Ji Y. P. ; Wang B. Z. ; Zhang Z. Z. ; Lu Q. ; Zhu C. H. Chin. J. Energy Mater 2004, 12, 189.
3	姬月萍; 王伯周; 张志忠; 刘愆; 朱春华. 含能材料, 2004, 12, 189.
4	Eaton, P. E.; Cole, T.W., Jr. J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 3157. doi: 10.1021/ja01069a041
5	Eaton P. E. ; Co le ; T.W. Jr. J. Am. Chem. Soc 1964, 86, 962.
6	Lukin K. ; Li J. C. ; Gilardi R. ; Eaton P. E. Angew. Chem. Int. Edit 1996, 35, 864.
7	Lukin K. ; Li J. C. ; Gilardi R. ; Eaton P. E. Angew. Chem. Int. Edit 1996, 35, 866.
8	Lukin K. A. ; Li J. C. ; Eaton P. E. ; Gilardi R. J. Org. Chem 1997, 62, 8490.
9	Zhang M. X. ; Eaton P. E. ; Gilardi ; R . Angew. Chem. Int. Edit, 2000, 39, 401.
10	Richard R. M. ; Ball D.W. J. Hazard. Mater 2009, 164, 1595.
11	Richard R. M. ; Ball D.W. J. Hazard. Mater 2009, 164, 1552.
12	Peköz R. ; ErkoçŞ Comput. Mater. Sci, 2009, 46, 849.
13	Chi W. J. ; Li L. L. ; Li B. T. ; Wu H. S. J. Mol. Model 2013, 19, 571.
14	Owens F. J. J. Mol. Struct 1999, 460, 137.
15	Chi W. ; Wang X. Y. ; Li B. T. ; Wu H. S. J. Mol. Model 2012, 18, 4217.
16	Li J. S. Theor. Chem. Acc 2009, 122, 101.
17	Liu, L. C.; Bai, C.; Sun, H.; Goddard, W. A., III. J. Phys. Chem. A 2011, 115, 4941. doi: 10.1021/jp110435p
18	Zhan J. H. ; Wu R. C. ; Liu X. X. ; Gao S. Q. ; Xu G. G. Fuel 2014, 134, 283.
19	Ghenoweth K. ; van Duin A. C. T. ; Dasgupta S. ; Goddard ; W. A. III. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 1740.
20	Cheung S. ; Deng W. Q. ; van Duin A. C. T. ; Goddard ; W. A. III. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 851.
21	Mueller J. E. ; van Duin A. C. T. ; Goddard ; W. A. III. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 4939.
22	Kim S. Y. ; Kumar N. ; Persson P. ; Sofo J. ; van Duin A. C. T. ; Kubicki J. D. Langmuir 2013, 29, 7838.
23	Strachan A. ; Kober E. M. ; van Duin A. C. T. ; Oxgaard J. ; Goddard W. A. J. Chem. Phys 2005, 122, 54502.
24	Liu H. ; Dong X. ; He Y. H. Acta Phys. -Chim. Sin 2014, 30, 232.
24	刘海; 董晓; 何远航. 物理化学学报, 2014, 30, 232.
25	Liu H. ; Li Q. K. ; He Y. H. Acta Phys. Sin 2013, 62, 1.
26	Zhou T. T. ; Huang F. L. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 278.
27	http://lammps.sandia.gov/ (accessed Nov 16, 2015).

[1]	徐涵煜, 宋雪旦, 张青, 于畅, 邱介山. 理论研究Cu@C₂N催化剂表面上水分子对电催化CO₂还原反应机理的影响[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2303040 - .
[2]	高凤雨, 刘恒恒, 姚小龙, Sani Zaharaddeen, 唐晓龙, 罗宁, 易红宏, 赵顺征, 于庆君, 周远松. 球形表面富锰Mn_xCo_3−xO_4−ƞ尖晶石型催化剂选择性催化还原NO_x研究[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212003 -0 .
[3]	马骋, 窦翔宇, 刘泽宇, 廖培龙, 朱志扬, 刘卡尔顿, 黄建滨. 一种新型CO₂/原油助混剂CAA8-X的应用与助混机理[J]. 物理化学学报, 2022, 38(8): 2012019 - .
[4]	俞宏伟, 李实, 李金龙, 朱韶华, 孙成珍. 气驱油油气混相过程的界面传质特性及其分子机制[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2006061 - .
[5]	卢浩然, 魏雅清, 龙闰. 纳米孔缺陷导致单层黑磷电荷局域极大抑制非辐射电子-空穴复合的时域模拟[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2006064 - .
[6]	曹冲, 张裴, 曹立冬, 刘铭鑫, 宋玉莹, 陈鹏, 黄啟良, 韩布兴. 液滴在超疏水植物叶面的沉积：实验和分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2022, 38(12): 2207006 - .
[7]	李莹, 来雪琦, 曲津朋, 赖勤志, 伊廷锋. 钠离子电池用高性能锑基负极材料的调控策略研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(11): 2204049 - .
[8]	李孟婷, 郑星群, 李莉, 魏子栋. 碱性介质中氢氧化和析氢反应机理研究现状[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2007054 - .
[9]	陈鹏, 周莹, 董帆. 二维光催化材料电子结构和性能调控策略研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2010010 - .
[10]	刘东, 陈圣韬, 李仁杰, 彭天右. 用于光催化能量转换的Z-型异质结的研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2010017 - .
[11]	陈文琼, 关永吉, 张姣, 裴俊捷, 张晓萍, 邓友全. 外电场作用下离子液体振动光谱变化的分子动力学模拟研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(10): 2001004 - .
[12]	唐钰杰, 郑默, 任春醒, 李晓霞, 郭力. ReaxFF MD局部区域反应追踪与物理性质可视化分析[J]. 物理化学学报, 2021, 37(10): 2003037 - .
[13]	孙成珍, 周润峰, 白博峰. 基于静电效应的石墨烯纳米孔选择性渗透特性[J]. 物理化学学报, 2020, 36(11): 1911044 - .
[14]	胡媛媛,王从洋. 双金属促进的均相碳氢键活化反应[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 913 -922 .
[15]	单春晖,白若鹏,蓝宇. 过渡金属参与C―H键切断模式的理论研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 940 -953 .