Pressure synthesis of nitrogen polymers as the future's high energy density materials - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Pressure synthesis of nitrogen polymers as the future's high energy density materials

Synthèse de polymères d'azote par pression comme matériaux énergétiques du futur

Résumé

The goal of this thesis is to synthesize novel polynitrogen compounds by pressure as the next-generation high energy density materials (HEDM). To achieve this, the physico-chemical properties of pure nitrogen as well as the xenon-nitrogen, hydrogen-nitrogen and lithium-nitrogen mixtures were studied under extreme pressure and temperature conditions. In the case of the compression of pure nitrogen, a novel polymeric nitrogen solid composed of interconnected chains of N6 rings was produced at 250 GPa and 3300 K, and then found metastable down to at least 60 GPa. The low pressure Xe-N2 investigation revealed the formation of a stoichiometric Xe(N2)2 van der Waals compound. Above 150 GPa and 2500 K a xenon-polynitrogen material was observed and preserved down to 23 GPa. The N2-H2 study, focusing on the characterization and high-density behavior of the N2(H2)2 van der Waals compound, uncovered its pressure-induced chemical reaction near 50 GPa. The reaction products were determined to be of the azane family (NxHx+2), with ammonia (NH3) being the main constituent, disproving results previously reported in the literature. Intriguingly, decompression of the reacted sample resulted, below 10 GPa, in the transformation of ammonia into its thermodynamically less stable counterpart hydrazine (N2H4). Lastly, the Li-N2 system proved to be of great interest due to the large array of anionic nitrogen moieties discovered (N3-, [N2]~2 [N2]~1 and N5-), owing to the rich chemistry between these two elements. In particular, lithium pentazolate (LiN5), containing the elusive energetically-rich pentazolate anion, was synthesized above 45 GPa and 2500 K. Moreover, it could be retained down to ambient conditions. It is the room-condition polynitrogen compound with the largest fraction of nitrogen by weight and the first polynitrogen HEDM produced by high pressure and retrieved down to ambient conditions. These results demonstrate the potential of high pressure for the synthesis of industrially relevant HEDM.
L’objectif de cette thèse doctorale fut la synthèse de composés polyazotés qui serviraient comme matériaux énergétiques du futur. Afin d’y arriver, les propriétés physico-chimiques de l’azote pur ainsi que des mélanges binaires xénon-azote, hydrogène-azote ainsi que lithium-azote furent étudiés à des pressions et températures extrêmes. Lors de la compression de l’azote pur jusqu’à environ 250 GPa et chauffé à 3300 K, une nouvelle forme d’azote polymérique constituée d’anneaux N6 interconnectés fut obtenue. À basse pression, les études du mélange Xe-N2 permirent de découvrir un composé de van der Waals de stoechiométrie Xe(N2)2. À plus haute pression et température (150 GPa et 2500 K) un solide composé de xénon et d’azote simplement lié fut obtenu. L’étude du système N2-H2 se focalisa sur le composé N2(H2)2. Sa structure complexe fut déterminée et, une réaction chimique vers 50 GPa ayant comme produit de réaction des azanes (NxHx+2) fut mise à jour. Il fut constaté que l’azane ammoniac (NH3), principalement obtenu, se transforme en hydrazine (N2H4)—pourtant a priori moins stable thermodynamiquement—lors de la décompression des échantillons réagit. Enfin, l’étude du système Li-N2 révéla une chimie remarquable entre ces deux éléments. Une grande variété d’anions d’azote fut obtenue, notamment N3-, [N2]~2 [N2]~1 et N5-. En particulier, le pentazolate de lithium (LiN5), contenant l’anion pentazolate hautement énergétique, put être récupéré aux conditions ambiantes. Ce composé est le premier composé polyazoté à haute densité d’énergie produit par pression et récupéré aux conditions ambiantes, démontré le potentiel des synthèses hautes pressions pour ce type de matériau.
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Identifiants

  • HAL Id : tel-02315738 , version 1

Citer

Dominique Laniel. Pressure synthesis of nitrogen polymers as the future's high energy density materials. Condensed Matter [cond-mat]. Sorbonne Université UPMC, 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02315738v1⟩
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