高压化学——一个有趣的领域！

压力是一个独立于温度和化学组分的重要热力学参量。20世纪以来，随着高压技术的不断发展，这一热力学参量在诸多学科领域都引起了人们的广泛关注。作为一种极端条件，高压科学与技术如今已经实现了与物理学、化学、材料科学、地球科学、生物学、新能源科学、行星科学、食品科学等学科领域的交叉发展。其中，人造金刚的高温高压合成是便是高压应用于材料合成领域的最典型范例。

高压新材料合成是指在（高温）高压条件下合成（常温）常压条件下不能生成或难以生成的物质的过程。高压新材料合成的方法大致可以分为高压相变合成、高压烧结合成和高压化学反应合成这三类。其中高压化学反应合成是指在（高温）高压条件下利用化学反应合成新材料。因为高压能够降低化学反应生成物的自由能，因此很多在常压下不能进行的反应，在高压下却能进行。

2009年，四川大学高压科学与技术实验室的雷力研究员和贺端威教授研究发现：镓酸锂（LiGaO₂）和氮化硼（BN）在高温高压下可以通过发生化学反应（LiGaO₂ + BN→ GaN +LiBO₂）而生成结晶质量较好的氮化镓（GaN）材料[1]。他们将该新型反应命名为高压固相复分解反应（High-pressure Solid-state Metathesis，HPSSM），并同时申请国家发明专利对该技术加以保护（ZL 2008 10046279.1）。（Definition of metathesis: a chemical reaction in which different kinds of molecules exchange parts to form other kinds of molecules.）

此后，高压科学与技术实验室又不断完善和发展了HPSSM反应，成功合成了一系列新型氮化物材料。比如，2012年，Chen等人以NaCrO₂和hBN为反应前驱体，合成了市场上很难买到的高纯度的CrN。2014年，Yin等人利用NaFeO₂和hBN合成了二元块体ε-Fe₃N。2015年，Jiang等人在更高的压力下，合成了大块结晶良好的贵金属氮化物Re₃N。其中，2013年，Lei等人对高压固相复分解反应合成的一系列金属氮化物进行系统总结，并结合第一性原理计算对该类反应的反应机理进行了阐释[2]。

2016年，Gao等人进一步完善和发展了HPSSM反应。基于以前的HPSSM合成反应多是以碱（土）金属的三元氧化物为反应前驱体材料这个特点，Gao等人优化了前驱体材料的选择，发现以二元金属氧化物（Fe₂O₃, CoO, NiO）和hBN为反应前驱体材料，能够成功制备出二元和多元的氮化铁和铁基金属氮化物球形块体材料[3]。

2018年Zhang等人又进一步完善和发展了HPSSM反应。Zhang等人发现以MgO和CeCl₃为反应前驱体材料，在5 GPa、1873 K条件下可以制备出结晶良好的CeOCl材料[4]。同年，Lei and Zhang对基于高压固相复分解反应合成新材料的最新进展进行了系统总结[5]。

由此可见，（高温）高压技术在新材料的合成领域具有明显优势。高压不仅能够增加反应物晶粒之间的接触、提高反应物的反应活性和抑制粒子的长程扩散，高压还能够加快化学反应的进程、有效抑制反应物与生成物高温分解和挥发以及提高产物致密度。在合成新材料方面具有显著的优势，可以说，新型HPSSM反应为新材料的高温高压合成打开了一扇新的大门！ 

——记于“2019 年高压等极端条件科学与技术全国博士后学术论坛”之后

^[1] Lei L, He D. Synthesis of GaN crystals through solid-state metathesis reaction under high pressure[J]. Crystal Growth and Design, 2009, 9(3): 1264-1266.

^[2] Lei L, Yin W, Jiang X, et al. Synthetic route to metal nitrides: high-pressure solid-state metathesis reaction[J]. Inorganic chemistry, 2013, 52(23): 13356-13362.

^[3] 高上攀, 雷力, 胡启威, 等. 三元铁基金属氮化物的高压复分解反应合成[J]. 高压物理学报, 2016, 30(4): 265-270.

^[4] Zhang L, Cheng Y, Lei L, et al. High-Pressure Synthesis of CeOCl Crystals and Investigation of Their Photoluminescence and Compressibility Properties[J].Crystal Growth & Design, 2018, 18(3): 1843-1847.

^[5] Lei L, Zhang L. Recent advance in high-pressure solid-state metathesis reactions[J]. Matter and Radiation at Extremes, 2018, 3(3): 95.Recent advance in high-pressure solid-state metathesis reactions.pdf