全氮阴离子盐（Pentazolate Anion，N₅⁻）是由南京理工大学化工学院胡炳成教授团队于2017年成功合成的一种革命性超高能含能材料，标志着我国在全球含能材料研究中占据了国际制高点。该成果发表于国际顶级期刊《科学》，这也是中国在该期刊上发表的含能材料领域首篇论文。全氮阴离子盐具备高密度、超高能量、爆轰产物清洁无污染（主要产物为氮气）、稳定安全及高正生成焓等优异特性，成为高性能绿色含能材料的典型代表。
全氮阴离子盐的合成采用了间氯过氧苯甲酸和甘氨酸亚铁分别作为切断试剂和助剂，通过氧化断裂的方式首次制备出在室温下稳定的全氮阴离子盐。热分析结果显示，该盐的分解温度高达116.8摄氏度，具有卓越的热稳定性。这一突破性进展解决了困扰国际含能材料领域长达半个多世纪的世界性难题，为全氮阴离子高能化合物的制备奠定了坚实基础。
全氮阴离子盐作为炸药、发射药、推进剂和火工品的高能量组分，其理论能量水平可达10⁴–10⁵焦耳/克，是TNT炸药的10至100倍。这使得它在多个领域具有广阔应用前景，包括高能钝感炸药、小型推进系统固体酒精、无烟烟火剂、气体发生剂以及无焰低温灭火剂等。尤其值得注意的是，它可能用于制造更大威力的推进剂，甚至有望应用于不需核裂变起爆的“清洁”氢弹。
发展历史 全氮类物质的研究历程漫长而曲折。1772年，Rutherford等人首次从大气中分离出氮气（N₂），开启了氮化合物的研究。1890年，Curtius和Radenhausen发现了第一个全氮离子N₃⁻，但此后相关研究进展缓慢。直到二战后，随着计算机技术和量子化学计算的发展，科研人员开始对从N₃到N₁₃的各种全氮衍生物进行大量理论预测，为合成工作指明了方向。
1956年，用于制备全氮离子的前驱体芳基五唑首次被合成。1999年，美国空军研究实验室合成了线状N₅⁺阳离子，初衷是开发一种新型火箭燃料以替代有毒的肼类燃料。2017年1月27日，南京理工大学胡炳成教授团队成功合成世界首个稳定存在的全氮阴离子盐（N₅⁻），这是该领域的里程碑式突破。
理化性质 物理性质 全氮阴离子盐是一种橙色金属配合物，其计算密度为1.694 g/cm³（在173 K下测定）。通过单晶X射线衍射分析确定，该配位化合物具有独特的晶体结构，包含两个平面的五边形N₅⁻环和四个对称配位在中心钴离子（Co²⁺）周围的水分子。钴离子通过两个σ键连接两个N₅⁻环，并与四个水分子配位，形成完全对称的线性结构。结合水和自由水在稳定五唑阴离子方面发挥着关键作用，形成了复杂的一维链和二维氢键网络。热分析显示，该配合物在50℃时失去晶格水，并在60至145℃间进一步分解，约150℃时出现剧烈放热反应和大量能量释放。
化学性质 全氮阴离子盐在空气中表现出良好的稳定性，但其热分析揭示了潜在的爆炸性。分解过程分为两步：先失去晶格水，随后环N₅⁻分解为氮气（N₂）和钴叠氮化物。加热时，化合物发生强烈放热反应并最终爆炸，释放巨大能量，这表明其作为高密度能量材料的巨大潜力，同时也意味着较高的安全风险。红外光谱在700-3668 cm⁻¹范围内显示出明显的吸收带，证实了晶体中环N₅⁻和水分子的存在，这些吸收归因于O-H…O基团及环N₅⁻平面的振动。
应用领域 全氮阴离子盐作为新型超高能含能材料，是国家核心军事能力和军事技术制高点的重要标志。其主要应用包括： - 军事领域：用于高能钝感炸药、发射药和推进剂，有望显著提升武器系统的打击能力和运载火箭的性能。 - 航天领域：作为高性能推进剂，可大幅提高火箭的比冲，是下一代运载火箭的关键技术之一。 - 民用领域：潜在应用于气体发生剂、无烟烟火剂、无焰低温灭火剂以及小型推进系统的固体燃料。
需要注意的是，尽管全氮阴离子盐在实验室合成取得了成功，但其实际应用仍面临稳定性、安全性和大规模生产等挑战。一些自媒体关于其已应用于特定导弹（如鹰击-21）的说法多为夸大或未经证实的猜测。
制备方法 全氮阴离子盐的制备采用间氯过氧苯甲酸和甘氨酸亚铁分别作为切断试剂和助剂，通过氧化断裂的方式制备。具体过程是在甲醇/H₂O溶液中，使(N₅⁻)(H₃O)₃(NH₄)Cl与Co(NO₃)₂·6H₂O在室温下进行复分解反应，然后在30°C下除去挥发性产物。通过在15°C下缓慢蒸发丙酮溶液，获得适合X射线衍射分析的晶体。该晶体在正交空间群Fmmm中结晶，晶胞中含有四个分子。
参考资料 >
Pentazolate Anion.kressworks.2024-09-29
EVA爆强核武终实现!中国团队首合成全氮阴离子盐.微信公众平台.2024-10-12
我合成全球首个全氮阴离子盐.搜狐网.2024-10-12
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