美国化学家研制出能量提升150%的下一代火箭燃料化合物

美国奥尔巴尼大学（University at Albany， SUNY）的化学家团队近日开发出一种高能化合物——二硼化锰（MnB₂），有望革新火箭燃料，显著提升太空飞行效率。这一最新研究已发表于《美国化学会杂志》。

Yeung实验室的弧熔炉正在合成二硼化锰。图片来源：Brian Busher

研究团队负责人Michael Yeung助理教授介绍，当该化合物被点燃时，每单位重量和体积所释放的能量，均远超现有推进剂。以火箭为例，这意味着所需燃料更少，可显著提升载荷空间与任务持续时间，为更多实验设备和样本回程预留了宝贵空间。

据介绍，二硼化锰的能量密度按重量计算比铝高出20%以上，按体积计算高出约150%。铝是当前固体火箭助推器的主流材料。而MnB₂除了能量巨大之外，还具备极高的稳定性，仅在遇到如煤油等点火源时才会起燃。

该团队还指出，二硼化锰的硼基结构赋予其广泛的应用潜力，既可用于增强汽车催化转换器的性能，也可作为塑料降解的催化剂。

二硼化锰分子模型。图片来源：Brian Busher

制备突破极高温条件，结构变形蕴含巨大能量

“二硼化物自上世纪60年代首次被关注以来，由于制备技术受限，这一化合物长期停留在理论层面。”研究团队成员、博士生Joseph Doane补充说，如今借助新技术——电弧熔融仪，科学家们首次实现了二硼化锰的纯净合成。

合成过程首先将锰粉和硼粉压实成丸，并密封于加固玻璃舱内，随后以高达3000℃（约5000华氏度）的电流加热，使其熔融并迅速冷却，锁定了新材料的独特结构。在原子尺度上，这一过程促使中央锰原子与更多原子结合，产生高度压缩如弹簧的排列。

博士生Gregory John基于计算模拟揭示，其分子结构呈现微妙的非对称“变形”，这正是材料高储能的关键来源。如同被压弯的蹦床一般，变形越大潜在能量越高，当燃料点燃时，能量即可被释放出来。

迈克尔·杨在奥尔巴尼大学ETEC大楼的实验室。图片来源：布莱恩·布舍

“新材料需要新化合物”

奥尔巴尼大学化学副教授Alan Chen指出，“化学家普遍认为，硼基化合物应具备不同寻常的性质，而材料化学的核心任务，就是创造既坚硬又极端的新物质。”本项研究便是探索新型硼基化学物的范例，成果不仅关乎火箭燃料，也对催化剂与塑料回收领域有所裨益。

助理教授杨迈克尔。图片来源：布莱恩·布舍

Yeung教授的硼化物研究兴趣源自他在加州大学洛杉矶分校的求学经历。他回忆第一次合成出类似二硼化锰的新材料时，材料变成了发光的橙色，这使他意识到硼基化合物所蕴含的巨大能量，并决定未来深入探索。

本项研究论文题为“配位违规：通过高能过渡金属探索亚稳态二硼化物”，由Joseph T. Doane、Gregory M. John、Alma Kolakji、Abraham A. Rosenberg、Yiren Zhang、Alan A. Chen与Michael T. Yeung完成，于2025年5月2日发表于《美国化学会杂志》。

编译自/ScitechDaily