这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的科学论文。以下是针对该研究的详细学术报告：

作者及机构
本研究由Yangtze University（长江大学）化学与环境工程学院的Mingming Zhou、Jing Luo和Dong Xiang（通讯作者）合作完成，论文标题为《Effects of Different Guests on Pyrolysis Mechanism of α-CL−20/Guest at High Temperatures by Reactive Molecular Dynamics Simulations at High Temperatures》，发表于期刊*International Journal of Molecular Sciences*（IJMS）2023年1月17日第24卷第3期。

学术背景
本研究属于含能材料（energetic materials）领域，重点关注主-客体包合物（host-guest inclusion compounds）的热解机制。CL-20（2,4,6,8,10,12-六硝基-2,4,6,8,10,12-六氮杂异伍兹烷）是目前能量密度最高的合成含能材料之一，但其高能量与低稳定性之间的矛盾限制了实际应用。为解决这一问题，研究者提出通过主-客体包合策略将小分子（如H₂O、CO₂、N₂O、NH₂OH）嵌入CL-20晶格空腔中，以调控其热稳定性和爆轰性能。然而，不同客体分子对CL-20热解机制的影响尚未系统研究，尤其是在高温下的动态反应路径和动力学参数。因此，本研究旨在通过反应分子动力学模拟（ReaxFF-MD）揭示不同客体分子对α-CL-20高温热解机制的作用规律。

研究流程与方法
1. 模型构建与初始化
- 研究对象：选取四种α-CL-20/客体体系（H₂O、CO₂、N₂O、NH₂OH），晶体结构来自剑桥晶体学数据中心（CCDC）。
- 超胞构建：将原始晶胞沿a、b、c轴分别扩展6×4×2倍，形成包含384个CL-20分子和192/384个客体分子的超胞体系（如α-CL-20/H₂O含384个H₂O分子，其他体系含192个客体分子）。
- 力场验证：采用ReaxFF-lg力场优化超胞结构，验证其晶格参数和密度与实验值的误差（%），确保力场适用性。

1. 模拟条件设置

   • 弛豫阶段：先通过NVT系综（1 K，10 ps）和NPT系综（300 K，5 ps）对体系进行弛豫。
     
   • 高温模拟：直接从300 K升温至目标温度（2500 K、2750 K、3000 K、3250 K、3500 K），采用NVT系综和Berendsen热浴控制温度，模拟时间至势能（PE）稳定。
     
   • 数据记录：每20 fs记录一次轨迹，通过键级截断值（0.3）识别化学物种。
     

2. 数据分析方法

   • 热解路径分析：统计初始反应路径（如C–NO₂断裂生成NO₂）及其频率。
     
   • 动力学参数计算：
     
     • 初始分解阶段：通过一级衰减函数拟合CL-20分子数衰减，计算速率常数k₁和活化能Ea₁。
       
     • 中间分解阶段：拟合势能曲线衰减，计算k₂和Ea₂。
       
     • 终产物生成阶段：通过指数函数拟合CO₂、N₂、H₂O的生成曲线，计算k₃。
       

主要结果
1. 热解路径与频率
- 所有体系的初始热解路径均为CL-20的C–NO₂断裂（生成NO₂）和C–H断裂（生成H原子），且频率随温度升高而增加。客体分子（除CO₂外）在高温下部分分解为小片段（如H₂O→H+OH）。
- 关键数据：在3500 K时，CL-20/H₂O的NO₂生成频率为69次，而CL-20/NH₂OH为69次，表明客体类型对初始路径影响较小。

1. 动力学参数差异

   • 初始阶段：含CO₂、N₂O、NH₂OH体系的Ea₁（87.12、81.93、90.12 kJ·mol⁻¹）均高于CL-20/H₂O（64.90 kJ·mol⁻¹），表明氮系客体抑制初始分解。
     
   • 中间阶段：含CO₂和N₂O体系的k₂显著低于CL-20/H₂O（如3500 K时，CO₂体系k₂=0.382 ps⁻¹ vs. H₂O体系k₂=0.465 ps⁻¹），说明其延缓中间反应。
     
   • 终产物阶段：CO₂客体抑制H₂O和N₂生成（k₃较低），而NH₂OH促进H₂O生成（k₃较高）。
     

2. 能量释放特性

   • 势能曲线显示，含氮客体体系的PE最大值顺序为H₂O < NH₂OH < CO₂ < N₂O，且放热量随温度升高而减弱。
     

结论与意义
1. 科学价值
- 揭示了氮系客体（CO₂、N₂O、NH₂OH）通过提高活化能抑制CL-20初始分解，但通过调控反应速率影响后续热解进程的机制。
- 提出客体分子中氢含量是影响反应速率的关键因素（如NH₂OH与H₂O行为相似，而CO₂/N₂O无氢则表现不同）。

1. 应用价值
   
   • 为设计高能量-稳定性平衡的CL-20基含能材料提供了理论依据，例如优先选择N₂O作为客体以同时提升能量和抑制早期分解。
     

研究亮点
1. 方法创新：首次系统比较不同氮系客体对CL-20高温热解动力学的多阶段影响，结合ReaxFF-MD与过渡态理论分析活化熵。
2. 发现新颖性：
- N₂O在高温下加速初始分解（k₁高）但抑制中间反应（k₂低），呈现“双刃剑”效应。
- CO₂对温度敏感性显著，其k₁在高温下剧增，可能与分子间作用力较弱有关。

其他有价值内容
- 研究中发现CL-20/NH₂OH体系的H₂O生成速率（k₃）显著高于其他体系，可能源于NH₂OH分解提供的额外氢源，这一现象为含氢客体设计提供了新思路。
- 论文补充了与ICM-102/HNO₃体系的对比，指出氢键相互作用可能是导致不同客体行为差异的核心因素。

此报告完整呈现了研究的学术逻辑与实验细节，可为含能材料领域的研究者提供参考。