基金项目:陕西省重点科技创新团队计划项目(No. 2022TD-33)
作者简介:赵子航(2000-),男,硕士。E-mail:2280518383@qq.com
通信作者:马海霞(1974-),女,博士,博导,教授。E-mail:mahx@nwu.edu.cn
慕晓刚(1981-),男,副教授。E-mail:muxg2001@163.com
(1.西北大学 化工学院/西安市特种能源材料重点实验室,陕西 西安 710069; 2.火箭军工程大学,陕西 西安 710025)
(1.School of Chemical Engineering, Northwest University/Xi'an Key Laboratory of Special Energetic Materials, Xi'an 710069, China; 2.Rocket Force University of Engineering, Xi'an 710025, China)
quantum chemistry; fullerenes C70; unsymmetrical dimethylhydrazine; UDMH; density functional theory; DFT
DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.202401012
液体燃料作为动力源在航天航空和军事领域被广泛使用[1]。其中,肼类燃料和四氧化二氮(NTO)组成的双组元推进剂具有很强的可靠性,可应用于多种火箭发动机中[2,3]。此外,肼类燃料具有短点火延迟时间、高比冲、良好的自燃特性等优点,是作为液体推进剂的较好选择。目前肼类燃料主要包括肼、甲基肼、偏二甲肼(UDMH)。研究人员针对不同肼类燃料进行了理论及实验研究[4-11],结果表明肼类燃料与NTO发生热分解反应产生NO2,是气相反应之初最主要且能参与后续反应的自由基。赵建烁等[12]通过前线轨道理论分析3种肼类燃料与NO2的反应过程后发现UDMH反应活性最佳,UDMH是3种肼类燃料中最容易与NO2发生反应的物质。因此,选择适宜的UDMH燃烧催化剂,加速UDMH的分解,可以提高液体推进剂的性能。采用理论计算方法研究可用于促进UDMH分解的催化剂,能够避免实验中UDMH的高毒性对试验人员的危害,并且为后续的实验研究提供参考。
相比于传统碳材料,富勒烯特殊的电子性质、多孔结构和较大的比表面积使其具有更好的催化作用[13],在能源工业、材料科学、生物医药等领域具有极高的应用价值[14-19]。自1990年突破了毫克级富勒烯的制备技术[20],研究人员针对富勒烯制备出一系列富勒烯分子及其衍生物。因此,C60、C70成为最稳定且最广泛生产的两种富勒烯。赵杨等[12]研究了富勒烯及其衍生物作为不同组分在含能材料中的应用,阐述了富勒烯作为含能组分、催化剂等的优秀表现,并且研究中提到C70具有良好的化学活性以及多种功能衍生化的可能性。
本研究建立了UDMH在C70表面的不同吸附构型,通过密度泛函理论(DFT)对其吸附行为进行研究,以探究C70对UDMH性能的影响。
采用Material Studio(Version 8.0)软件的DMol3模块[21-22]进行模型优化,该软件基于密度泛函理论开发。在对模型进行几何优化时,泛函选用广义梯度近似(GGA)[23]中的Perdew-Burke-Ernzerh(PBE)[24]交换关联势,以描述体系中电子交换相关作用。在搜索稳定模型的过程中,分别设置能量、受力和位移的收敛标准为2×10-5Ha(1Ha=27.21eV)、2×10-3Ha/nm和5×10-4nm; 热占位中Smearing的参数设置为0.01Hatree。弱相互作用修正采用Tkatchenko-Scheffler[24]方法。价电子波函数采用双数值极化函数展开(DNP),截断半径为0.44nm。布里渊区采样k点设置为1×1×1[25],研究中所有化学物质模型的原子核处理方式均为All electron,对物质中所有电子都进行处理。
在研究基元反应的过程中,采用完全线性同步联合二次同步(LST/QST)方法进行过渡态搜索[26],以探究反应机理、计算C70加入前后UDMH分解的反应势垒和反应热。
吸附质在催化剂表面的吸附能可由公式(1)计算获得[26]:
Eads=EUDMH/C70-(EC70+EUDMH)(1)
式中:Eads为吸附能; EUDMH/C70为吸附后UDMH/C70体系的总能量; EC70、EUDMH分别为吸附前C70和UDMH单独物质的能量。根据式(1)吸附能计算结果可以快速判断吸附过程的吸放热情况以及吸附的稳定性。
图1为C70和UDMH的三维结构。C70富勒烯是一个对称的碳分子,它是由70个碳原子组成的一个球形团簇。UDMH分子主要由两个非极性基团—CH3和一个极性基团—NH2组成。因此,本研究将UDMH放置于C70附近进行几何优化且没有虚频的稳定吸附构型作为研究对象。
图1 C70和UDMH的三维结构
Fig.1 The three-dimensional structures of C70 and UDMH
C70团簇的分子结构存在一定的对称性[18,19],故仅考虑少数位点作为吸附位点。经结构优化得到两种不同的吸附构型如图2所示。规定图1(a)为C70正面图像,图2中(1)、(2)分别为A构型的正视图与侧视图;(3)、(4)为B构型的正视图与侧视图。
如图2所示,相对于C70分子,A构型中UDMH分子的NH2基团和CH3基团均位于C70六元环的上方; B构型中NH2基团位于C70分子中六元环上方,CH3基团则位于五元环上方。此外,A构型中UDMH分子中NH2基团上N原子与C70分子的最短距离为3.396Å,B构型中的最短距离为3.645Å,较长的距离意味着两个分子之间的氢键较弱。
图2 两种不同C70-UDMH吸附优化构型
Fig.2 Two different kinds of optimized conformations of C70-UDMH
对两种构型中UDMH的吸附能进行计算,结果显示,UDMH在C70上的吸附能分别为:A构型-0.1392eV、B构型-0.1422eV。较低的吸附能表明UDMH分子可能以物理吸附的形式吸附于C70上。通过对纯C70、UDMH以及两种构型进行态密度和分子间距离计算,进一步证明C70和UDMH二者之间的吸附为物理吸附。各个结构的局域态密度(LDOS)如图3所示。由图3(a)、(c)和(d)可知,UDMH与C70形成稳定吸附构型后,C70中的态密度峰发生变化,主要发生在-9~-2eV范围内,说明UDMH和C70之间发生了电子转移。N原子的DOS峰分布于C70分子分布能级的-20~0.5eV范围内,并且在-7~-4eV存在部分重叠。将图3(c)、(d)两种构型的DOS图像相比,在-7~-3eV能级范围内,A构型中C70的DOS峰的峰值比B构型更高,且图2(b)中N原子的DOS峰形和能级并无改变。尽管两种分子间的DOS峰有部分重叠,但是分子间距离较远,不具备形成共价键的条件(采用两个成键原子半径之和的0.6~1.5倍长度来判断共价键的形成与断裂)[27]。
基于文献研究[9,12]确定无C70作用时UDMH在NO2自由基存在时的初始分解及次级分解路径。将NO2自由基分别放置于CH3和NH2基团并进行抽氢反应过渡态(TS)搜索。计算结果表明,在NH2基团上发生的抽氢反应势垒为34.1kJ/mol,反应热为31.4kJ/mol,在CH3基团上的反应势垒为83.0kJ/mol,反应热为82.9kJ/mol。NH2基团上抽氢反应具有较低的反应势垒,与文献报道一致[11]。
基于上述结果,次级反应仍选择NH基团上发生,以NO2靠近NH基团并发生H原子转移的结构分别作为基元反应的始态(IS)、终态(FS)结构。在NH2上发生的两步抽氢反应中IS、TS、FS结构如图4所示,相应的反应能量曲线如图5所示。UDMH分解初始及次级反应过渡态搜索结果均符合过渡态的搜索结果。
图4 UDMH分解的两步基元反应结构示意图
Fig.4 Schematic diagram of two-step elementary reaction structure for UDMH decomposition
图5 UDMH分解的两步基元反应的能量曲线
Fig.5 Energetic profiles of two-step elementary reaction for UDMH decomposition
当NO2自由基靠近UDMH分子,NH2基团上H原子会发生解离,并转移至NO2自由基上,从而生成C2H6NNH和HONO,反应活化能为34.1kJ/mol,反应热为31.4kJ/mol。第二步抽氢反应以同样的方式进行,经过NO2自由基在NH基团上抽氢,形成C2H6NN和HONO(图4),该基元反应的活化能和反应热分别为28.7kJ/mol和22.8kJ/mol。从数值上分析,第一步抽氢反应的活化能和反应热都明显高于第二步,由此说明第一步抽氢反应对于UDMH分解的发生具有决定性。
加入C70后,首先研究UDMH分解的起始反应位点可否发生在甲基,故研究了NO2从甲基上发生抽氢的可行性。在尝试优化多种模型之后,都不能得到稳定的IS结构,无法进行后续的过渡态搜索和反应热计算,表明加入C70后,NO2自由基在UDMH甲基上发生抽氢反应的位置仍然在NH2上。进一步计算获得了A、B两种构型与NO2相互作用的稳定构型,如图6所示。
将NH2基团作为UDMH分解初始及次级反应的反应位点,分别选取在此基团附近吸附NO2自由基及对应的H原子转移后的稳定结构作为反应的IS、FS结构。
对NH2基团上两步抽氢反应进行过渡态搜索,得到的反应过渡态均只有一个虚频,证明过渡态的搜索结果正确。C70吸附UDMH体系中两步抽氢反应的IS、TS以及FS结构如图6所示,对应的反应能量曲线如图7所示。
图6 两种吸附体系中UDMH分解的基元反应结构图
Fig.6 The elementary reactions structuresdiagrams of UDMH decomposition in two adsorption systems
图7 不同吸附构型UDMH分解的基元反应能量曲线
Fig.7 Energetic curves of the elementary reactions for UDMH decomposition in different adsorption systems
当NO2自由基进入反应体系并发生反应时,反应形式与纯UDMH分解相同,均为NO2自由基从NH2基团上抽取氢离子。随着NO2自由基靠近UDMH分子,NH2基团上一个H原子转移至NO2自由基上,形成C2H6NNH分子和HONO。由图7可知,该基元反应在A构型体系中的活化能为14.7kJ/mol,反应热为7.2kJ/mol; 在B构型体系中活化能(13.0kJ/mol)和反应热(4.4kJ/mol)相对更低。在第二步反应发生前,两种构型中的C2H6NNH分子均发生了旋转(图6),但这并没有影响抽氢反应的发生。其中A构型中抽氢反应的反应势垒为30.0kJ/mol,反应热为18.7kJ/mol,而B构型中反应势垒为27.5kJ/mol,反应热为25.6kJ/mol。相较于A构型,第二步反应中B构型反应的活化能更高,而反应热更低。结果表明,在C70存在时UDMH分子分解的前两步基元反应仍为吸热反应,与纯UDMH分解不同的是,C70的加入会使第二步反应的反应势垒和反应热都明显高于第一步。
此外,在对C70吸附体系UDMH第一步分解产物(图9(b)、(e))直接进行优化时,考虑到UDMH中NH2基团在经历了抽氢反应后转变为NH基团,且N—N没有发生改变,故在几何优化前将分子总价态设置为-1进行优化,得到的结果表明该结构可以稳定存在且分子总价态为-1。对第二步反应产物(图9(c)、(f))进行优化时将分子总价态设置为-2、0分别进行优化,结果表明分子总价态设置为0时能量更低,原因可能是在失去了两个H原子后N—N转化为N═N,分子价态重新归零。
为了从反应热方面具体说明C70用于催化UDMH分解的可行性,表1列出3种体系中两步基元反应的活化能以及反应热数据,相应能量曲线如图8所示。
表1 纯UDMH体系以及两种C70体系中UDMH分解基元反应的活化能及反应热
Table 1 Activation energies and heat of reaction of the elementary reactions for UDMH decomposition in the pure UDMH system and in two C70 systems
图8 纯UDMH与C70-UDMH体系中前两步抽氢反应的能量曲线
Fig.8 Energetic curves of the first two steps of hydrogen extraction reaction in the pure UDMH and C70-UDMH systemsC70
的加入会显著降低UDMH分解的第一步反应的反应势垒和反应热。相比于纯体系中第一步反应34.1kJ/mol的反应势垒,两种构型中第一步反应的反应势垒分别降至14.7kJ/mol(A)、13.0kJ/mol(B); 反应热从31.4kJ/mol减小到7.2kJ/mol(A)、4.4kJ/mol(B)。这意味着C70的加入对于UDMH第一步分解反应在动力学和热力学上都是有利的。而在第二步反应中,不同的吸附构型C70对UDMH反应的反应热影响不同。计算结果显示,构型A在降低4.1kJ/mol反应热的同时会提高1.3kJ/mol的反应活化能; 而构型B在反应热和反应活化能的改变上与构型A恰恰相反,构型B中第二步基元反应的反应活化能减少了0.8kJ/mol,反应热增加了2.8kJ/mol。结合反应势垒分析,构型A中C70对于第二步反应的发生具有轻微的抑制作用,构型B则有轻微的催化作用。
Mulliken布局电荷分布是考察电子结构的一个重要参数,一般来说,电荷值越负,所带电子越多。表2列出了不同构型中UDMH及C70部分原子的Mulliken电荷数。Mulliken电荷分析表明在发生吸附后UDMH中的N、C原子失去部分电子,A构型中N原子失去了0.028e电子,B构型中失去更多的电子(0.032e); 且相较于A构型(0.612e),B构型中的两个C原子失去更多的电子(0.65e)。同时C70中距离UDMH分子最近的一个六元环会得到大部分电子。这说明C70作为催化剂吸附UDMH后,可能会使UDMH分子失去部分电荷,从而使其发生分解反应的能垒降低。
综合上述分析,C70的加入对于UDMH的分解具有催化作用。且在第一步抽氢反应中非常明显,A、B两种吸附构型分别降低了19.4kJ/mol和21.1kJ/mol的反应势垒以及24.2kJ/mol、27.0kJ/mol的反应热。计算结果表明,C70的加入会将第一步的反应热和反应势垒降低至比第二步更低的水平。其中,B构型更倾向于降低反应的活化能,A构型对于反应热的降低则更为明显。
当UDMH在吸附体系发生分解时,其中间产物与C70分子之间的距离会不断变化。通过计算获得了两种吸附构型—NH2发生两步抽氢反应的优化吸附构型如图9所示,其中(a)~(c)为A构型的初始状态及中间体;(d)~(f)为B构型对应的结构。UDMH及不同阶段抽氢反应产物与C70团簇分子之间的距离如表3所示。
表3 UDMH以及分解反应中间体中N原子与C70中一个C原子的距离
Table 3 Distances between N atoms in UDMH and its decomposition reaction intermediates and one C atom in C70
相对C70中的碳原子,A构型的UDMH分子在第一步反应结束后轻微向C70分子靠近,N原子和C原子间距离缩短至3.410Å,在下一步反应结束时距离增加至4.266Å。并且UDMH分子会以N—N键为轴发生逆时针旋转。B构型中UDMH与C70在距离上的变化趋势与A构型相同,然而B构型体系中UDMH的分解产物在第一步反应结束相对于C70移动的距离相较于A构型更少,在第二步反应结束相对A构型更多。分子间距离的增加意味着UDMH可能会在其中一步抽氢反应结束后发生脱附,从而进行后续的分解。
图9 (a~f)UDMH及其分解反应中间体; (g)、(h)测距时参考C70选定的C原子
Fig.9 (a—f)UDMH and its intermediates of decomposition reactions; (g)、(h)C atoms selected with reference to C70 during ranging
此外,为探究在反应过程中C70对于UDMH分子和NO2自由基及其产物中化学键的影响,测量了不同体系中NO2的两个N═O键以及UDMH中的N—N键的键长,结果见表4。
随着UDMH分解反应的进行,N—N键会逐渐缩短,且NO2自由基中不同的N═O键键长也会发生轻微的变化。在NO2自由基进入体系时,其中两个N═O键键长在1.235~1.252Å; 而形成HONO自由基后,连接H原子的N═O键被拉长至1.368~1.383Å,没有连接H原子的N═O键会缩短至1.214~1.216Å。并且不同体系中化学键的键长在数值以及变化趋势上几乎相同。这说明在UDMH分解过程中,C70对于UDMH分子及NO2、HONO自由基中化学键的影响并不明显。
进一步研究发现,纯UDMH经历两步抽氢反应并向体系中加入NO2后,(CH3)2NN中的N原子会吸收自由基中的O原子,转化为(CH3)2NNO,随着NO2含量的增加,N—N键断裂生成(CH3)2N。而在C70体系中却没有发生这种现象,此时UDMH分解产物与C70的分子间距离达到4.27Å(A)、4.86Å(B),因此推测可能发生了UDMH脱附,C70对于后续反应的影响需要进一步深入研究。
(1)采用密度泛函理论研究了UDMH在C70团簇分子上的吸附行为,获得两种吸附构型,UDMH最初以分子形态吸附,两种物质之间主要发生物理吸附。吸附能为负值且较低,该吸附是放热过程。C70存在时,UDMH第一步分解生成的中间体会呈现电负性,价态为-1价。
(2)在C70的作用下,UDMH与NO2反应时,第一步抽氢反应倾向于在NH2基团上发生,且C70的加入不会改变UDMH分解初始反应的位置。同时,C70的加入降低了UDMH分解过程的第一步抽氢反应的反应势垒和反应热。对于不同的吸附构型,A构型倾向于降低反应热,B构型则会降低反应势垒。对于第一步抽氢反应,C70对反应势垒和反应热的降低尤为明显,A、B两种吸附构型分别降低了19.4kJ/mol和21.1kJ/mol的反应势垒以及24.2kJ/mol、27.0kJ/mol的反应热。
(3)反应势垒研究结果表明,加入C70后加速了UDMH分解的引发反应,并且在B构型中,C70对UDMH分解的反应势垒的催化作用更为明显。