高压下晶体5-硝胺基-3,4-二硝基吡唑肼结构转变的周期性密度泛函理论研究

doi:10.7503/cjcu20170465

高等学校化学学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (2): 292.doi: 10.7503/cjcu20170465

高压下晶体5-硝胺基-3,4-二硝基吡唑肼结构转变的周期性密度泛函理论研究

赵国政¹, 范荣荣¹, 颜熹琳²(), 唐维², 唐明峰², 贾建峰¹, 武海顺¹

1. 山西师范大学化学与材料科学学院, 临汾 041004
2.中国工程物理研究院化工材料研究所, 绵阳 621999

收稿日期:2017-07-14 出版日期:2018-02-10 发布日期:2018-01-11
作者简介:联系人简介: 颜熹琳, 女, 助理研究员, 主要从事炸药和高分子材料性能研究. E-mail: linyxl_306@sina.com
基金资助:
山西省高等学校科技创新项目(批准号: 2016157)和国家自然科学基金(批准号: 11302198)资助

Periodic DFT Study on Structural Transformations of Crystalline Hydrazinium 5-Nitramino-3,4-dinitropyrazolate Under High Pressures^†

ZHAO Guozheng¹, FAN Rongrong¹, YAN Xilin^2,^*(), TANG Wei², TANG Mingfeng², JIA Jianfeng¹, WU Haishun¹

1. School of Chemistry and Material Science, Shanxi Normal University, Linfen 041004, China
2.Institute of Chemical Materials, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China

Received:2017-07-14 Online:2018-02-10 Published:2018-01-11
Contact: YAN Xilin E-mail:linyxl_306@sina.com
Supported by:
† Supported by the Scientific and Technological Innovation Programs of Higher Education Institutions in Shanxi Province, China(No.2016157) and the National Natural Science Foundation of China(No.11302198)

摘要/Abstract

摘要：

采用周期性密度泛函理论(DFT)方法研究了静水压0~160 GPa范围内5-硝胺基-3,4-二硝基吡唑肼(HNDP)的晶体结构、分子结构和电子结构. 研究结果表明, 晶体HNDP在静水压6, 28和110 GPa时发生了3次结构转变: 在6 GPa时, 分子中阴离子和阳离子的相对位置发生重排, N17—H23…N13氢键断裂; 在28 GPa时再次形成N17—H23…N13氢键; 在110 GPa时, N17—H19共价键转变为氢键, 形成N20—H22…O24共价键. 带隙、键布居数以及原子电荷研究结果表明, 随着压强增加, 晶体HNDP的金属性及离域性增强.

关键词: 密度泛函理论, 5-硝胺基-3, 4-二硝基吡唑肼, 高压, 晶体结构

Abstract:

Periodic density functional theory(DFT) calculations were performed to study the crystal, molecular and electronic structures of energetic hydrazinium 5-nitramino-3,4-dinitropyrazolate(HNDP) in the pressure range of 0—160 GPa. The results indicate that crystalline HNDP undergoes three structural transformations. The first one occurs at 6 GPa with the rearrangement of the molecules in the crystal and the rupture of the N17—H23…N13 hydrogen bond. At 28 GPa, the second one forms N17—H23…N13 hydrogen bond again. The last one occurs at 110 GPa with the rupture of the N17—H19 covalent bond and N20—H22…O24 hydrogen bond. An analysis of band gaps, bond populations and atomic charges show that HNDP crystal undergoes an electronic transition to the metallic system with the increase in pressure. These results provide basic information for the high pressure behavior of crystalline HNDP.

Key words: Density functional theory, Hydrazinium 5-nitramino-3, 4-dinitropyrazolate(HNDP), High pressure, Crystalline structure

中图分类号:

O641

TrendMD:

赵国政, 范荣荣, 颜熹琳, 唐维, 唐明峰, 贾建峰, 武海顺. 高压下晶体5-硝胺基-3,4-二硝基吡唑肼结构转变的周期性密度泛函理论研究. 高等学校化学学报, 2018, 39(2): 292.

ZHAO Guozheng, FAN Rongrong, YAN Xilin, TANG Wei, TANG Mingfeng, JIA Jianfeng, WU Haishun. Periodic DFT Study on Structural Transformations of Crystalline Hydrazinium 5-Nitramino-3,4-dinitropyrazolate Under High Pressures^†. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(2): 292.

图/表 11

Fig.1 Crystal(A) and molecular structures(B) of HNDP

Table 1 Comparison of relaxed lattice parameters of HNDP with experimental data at ambient conditions*

Method	a/nm	b/nm	c/nm	β/(°)	Cell volume/nm³
LDA/CA-PZ	0.350(-3.58)	1.064(-0.56)	2.218(-2.33)	92.14(-0.33)	0.825(-6.36)
LDA/CA-PZ-OBS	0.333(-8.26)	1.040(-2.80)	2.161(-4.84)	88.04(-4.77)	0.747(-15.21)
GGA/PBE	0.406(11.85)	1.167(9.07)	2.392(5.33)	97.60(5.57)	1.124(27.58)
GGA/PBE-TS	0.369(1.65)	1.111(3.83)	2.327(2.47)	94.86(2.61)	0.949(7.72)
Exp.	0.363	1.070	2.271	92.45	0.881

Table 2 Experimental and calculated bond lengths and angles for HNDP

Species	d/nm		Species	Bond angle/(°)
Species	LDA/CA-PZ		Exp.	LDA/CA-PZ	Exp.
N6—C2	0.136	0.136	C3—C1—N7	129.32	129.08
C1—C2	0.141	0.140	N5—N6—H4	119.21	123.20
C1—C3	0.140	0.140	N13—C2—C1	126.27	125.86
C3—N5	0.132	0.131	O11—N10—C3	116.37	117.14
N5—N6	0.135	0.136	O15—N14—O16	121.11	119.98

Fig.2 Lattice constants a(A), b(B), c(C) and compression rates(D) of HNDP as a function of pressure

Fig.3 Unit cell volume(A) and total energy(B) at the pressure range of 0—160 GPa

Fig.4 Variation of the bond lengths and interatomic distances of HNDP with different pressure

Fig.5 Variation of the bond angles of HNDP with different pressure

Fig.6 Perspective view of HNDP with different pressures (A) 6 GPa; (B) 28 GPa; (C) 110 GPa.

Fig.7 Bond populations(A) and atomic charges(B) in HNDP at different pressures

Fig.8 Band gaps of HNDP under different pressures

Fig.9 Total DOS of HNDP under different pressuresPressure/Pa: (A) 0; (B) 6; (C) 28; (D) 110. s, p, and total states are shown as dotted, dashed, and solid curves, respectively.

参考文献 20

[1]	Li Y., Huang H. F., Shi Y. M., Yang J., Pan R. M., Lin X. Y., Chem. Eur. J., 2017, 23(30), 7353—7360
[2]	Xu Z., Cheng G. B., Yang H. W., Ju X. H., Yin P., Zhang J. H., Shreeve J. M., Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56(21), 5877—5881
[3]	Liu Q., Xiao J. J., Zhang J., Zhao F., He Z. H., Xiao H. M., Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(3), 559—566
	(刘强, 肖继军, 张将, 赵峰, 何正华, 肖鹤鸣. 高等学校化学学报, 2016,37(3), 559—566)
[4]	Meng L. Y., Lu Z. P., Ma Y., Xue X. G., Nie F. D., Zhang C. Y., Cryst. Growth. Des., 2016, 16(12), 7231—7239
[5]	Qu Y. Y., Zeng Q., Wang J., Ma Q., Li H. Z., Li H. B., Yang G. C., Chem. Eur. J., 2016, 22(35), 12527—12532
[6]	Zhang Q. H., Shreeve J. M., Chem. Rev., 2014, 114(20), 10527—10574
[7]	Fischer N., Fischer D., Klapötke T. M., Piercey D. G., Stierstorfer J., J. Mater. Chem., 2012, 22(38), 20418—20422
[8]	Yin P., Parrish D. A., Shreeve J. M., J. Am. Chem. Soc., 2015, 137(14), 4778—4786
[9]	He Z. H., Chen J., Wu Q., J. Phys. Chem. C, 2017, 121(15), 8227—8235
[10]	Zhang L., Jiang S. L., Yu Y., Long Y., Zhao H. Y., Peng L. J., Chen J., J. Phys. Chem. B, 2016, 120(44), 11510—11522
[11]	Chellappa R. S., Dattelbaum D. M., Coe J. D., Velisavljevic N., Stevens L. L., Liu Z. X., J. Phys. Chem. A, 2014, 118(31), 5969—5982
[12]	Wang F., Du H. C., Zhang J. Y., Gong X. D., J. Phys. Chem. C, 2012, 116(11), 6745—6753
[13]	Wu Q., Zhu W. H., Xiao H. M., J. Phys. Chem. C, 2013, 117(33), 16830—16839
[14]	Materials Studio 6.0, Accelrys Inc., San Diego, 2012
[15]	Clark S. J., Segall M. D., Pickard C. J., Hasnip P. J., Probert M. J., Refson K., Payne M. C., Z. Kristallogr., 2005, 220(5/6), 567—570
[16]	Vanderbilt D., Phys. Rev. B, 1990, 41(11), 7892—7895
[17]	Kresse G., Furthmuller J., Phys. Rev. B, 1996, 54(16), 11169—11186
[18]	Fletcher R., Practical Methods of Optimization, Wiley-Interscience, New York, 1980
[19]	Jeffrey G.A., An Introduction to Hydrogen Bonding, Oxford University Press, New York, 1997
[20]	Segall M. D., Shah R., Pickard C. J., Payne M. C., Phys. Rev. B, 1996, 54(23), 16317—16320

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[1]	何鸿锐, 夏文生, 张庆红, 万惠霖. 羟基氧化铟团簇与二氧化碳和甲烷作用的密度泛函理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220196.
[2]	施耐克, 张娅, SANSON Andrea, 王蕾, 陈骏. Zn(NCN)单轴的负热膨胀性及机理研究[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220124.
[3]	黄汉浩, 卢湫阳, 孙明子, 黄勃龙. 石墨炔原子催化剂的崭新道路:基于自验证机器学习方法的筛选策略[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220042.
[4]	刘洋, 李旺昌, 张竹霞, 王芳, 杨文静, 郭臻, 崔鹏. Sc₃C₂@C₈₀与[12]CPP纳米环之间非共价相互作用的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220457.
[5]	程媛媛, 郗碧莹. ·OH自由基引发CH₃SSC $H 3 •$ ⁺自由基裂解反应机理的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220271.
[6]	周成思, 赵远进, 韩美晨, 杨霞, 刘晨光, 贺爱华. 硅烷类外给电子体对丙烯-丁烯序贯聚合的调控作用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220290.
[7]	王园月, 安梭梭, 郑旭明, 赵彦英. 5-巯基-1, 3, 4-噻二唑-2-硫酮微溶剂团簇的光谱和理论计算研究[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220354.
[8]	黄罗仪, 翁约约, 黄旭慧, 王朝杰. 车前草中黄酮类成分结构和性质的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2752.
[9]	钟声广, 夏文生, 张庆红, 万惠霖. 电中性团簇MCu₂O_x(M=Cu²⁺, Ce⁴⁺, Zr⁴⁺)上甲烷和二氧化碳直接合成乙酸的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2878.
[10]	马丽娟, 高升启, 荣祎斐, 贾建峰, 武海顺. Sc, Ti, V修饰B/N掺杂单缺陷石墨烯的储氢研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2842.
[11]	柳扬, 李清波, 孙杰, 赵显. Ga对在AlN衬底上直接生长石墨烯的远程催化[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(7): 2271.
[12]	郑若昕, 张颖, 徐昕. 低标度XYG3双杂化密度泛函的开发与测评[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(7): 2210.
[13]	王建, 张红星. 四配位铂磷光发射体结构与光物理性质关系的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(7): 2245.
[14]	胡伟, 刘小峰, 李震宇, 杨金龙. 金刚石纳米线氮空位色心的表面与尺寸效应[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(7): 2178.
[15]	杨一莹, 朱荣秀, 张冬菊, 刘成卜. 金催化炔基苯并二𫫇英环化合成8-羟基异香豆素的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(7): 2299.

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