天然硅酸盐纳米管复合催化剂的制备及其热催化性能研究

论文摘要

近年来,纳米材料因其独特性质而被广为重视,并逐步应用于各个领域。但人工合成纳米材料存在产量低、成本高,对环境有一定影响等问题,制约了纳米材料的开发和应用。而天然纳米矿物经适当处理,就可获得具有实用价值的纳米材料,无论是产量或成本,都具有人工合成纳米材料无法比拟的优越性。因此本论文选用天然硅酸盐纳米管（HNT）作为研究对象,运用SEM、TEM、EDS、BET、XRD、IR、TG及DSC等现代分析测试技术对该矿物进行了表征,并将其作为催化剂载体制备了复合催化剂,同时研究了其对固体推进剂—高氯酸铵（AP）的热催化性能。通过对天然硅酸盐纳米矿物的结构、颗粒尺寸、形貌、化学组成及热稳定性等方面进行表征。结果表明:该矿物质量高、杂质少,除具有形态完整的中空纳米管状结构和高比表面外,还具有较强的热稳定性,能够作为催化剂载体。同时采用DSC方法对添加了HNT的高氯酸铵的热分解情况进行研究,表明该矿物对高氯酸铵的热分解有一定的助催化作用,能够使高氯酸铵的高温分解峰温降低48℃。分别采用快速沉淀法、氧化还原法、静电吸附法在HNT的表面依次负载了NiO、MnO2、ZnO纳米粒子,制备出纳米HNT/NiO、HNT/MnO2、HNT/ZnO复合粒子,利用XRD、TEM、HRTEM等表征方法对复合粒子的晶体结构、颗粒尺寸、形貌等方面进行分析表征。结果表明:纳米粒子能均匀地负载于管状HNT上,且负载量较高。为了表征所制备出的复合粒子对高氯酸铵的热分解催化性能,采用与对应较纯纳米粒子的热催化性能作对比。DSC实验结果表明:该复合粒子及对应较纯纳米粒子对高氯酸铵热分解均有催化效果,且相同含量的复合粒子比对应较纯纳米粒子有更强的催化性能;在催化剂含量一定的条件下,HNT/NiO、HNT/MnO2、HNT/ZnO复合粒子能够使高氯酸铵的高温分解峰温依次降低153℃、159℃、163℃,充分显示出对高氯酸铵优良的热分解催化性能。利用化学镀法在HNT的表面包覆上金属铜。通过TEM、HRTEM、XRD等测试手段对复合物的形貌、晶体结构及组成等进行了表征,结果表明在HNT的表面沉积了粒径为5 nm左右的铜粒子。采用DSC方法表征HNT/Cu复合粒子对高氯酸铵热分解催化性能,结果表明能使高氯酸铵的高温分解峰温提前158℃。由此认为该HNT/Cu复合粒子对高氯酸铵是一种优良的催化剂。最后,通过对HNT复合催化剂的催化机理进行分析,认为:将纳米粒子负载于HNT表面,进一步增加了纳米粒子的比表面积,一定程度上抑制了纳米粒子的团聚,也提高了其在AP中的均匀分散性,从而进一步提高了纳米粒子对AP的催化效率。另外,HNT为纳米级物质,具有开放式的孔结构,比表面积较大,其表面有很多催化活性点,催化活性很高。AP分解后的气相反应物分子可以直接接触到HNT复合粒子的活性位发生吸附,这样有利于复合粒子的活性中心参与反应,同时HNT的管腔结构对气体有较强的吸附作用,导致AP的热分解气体产物被吸附在催化剂的周围,从而加速催化剂与气体产物的反应。因此,HNT复合催化剂对AP热分解催化作用要明显强于单独的纳米粒子催化剂。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.1.1 纳米材料
• 1.1.2 纳米材料的制备和应用
• 1.2 纳米矿物材料的研究
• 1.2.1 矿物材料
• 1.2.2 纳米矿物材料
• 1.2.3 纳米矿物材料的特性
• 1.2.4 纳米矿物材料制备方法
• 1.2.5 纳米矿物的研究手段
• 1.3 天然纳微米矿物材料
• 1.3.1 天然纳米矿物资源的研究现状
• 1.3.2 天然纳微米矿物的应用
• 1.3.3 天然纳微米矿物研究的意义
• 1.4 天然纳米管状矿物
• 1.5 本课题研究的目的和内容
• 2 天然硅酸盐纳米管的表征及性能研究
• 2.1 天然硅酸盐纳米管的表征
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 SEM和TEM表征及EDS分析
• 2.1.3 X射线表征
• 2.1.4 红外吸收光谱表征
• 2.1.5 HNT的比表面分析及孔结构特征
• 2.1.6 差热—热重分析
• 2.2 HNT对AP热分解性能的影响
• 2.2.1 实验药品
• 2.2.2 HNT/AP复合粒子的制备
• 2.2.3 HNT/AP复合粒子的热分解性能
• 2.3 本章小结
• 3 天然硅酸盐纳米管/金属氧化物复合催化剂的制备及其催化性能研究
• 3.1 HNT/NiO复合粒子的制备及其催化性能研究
• 3.1.1 HNT/NiO复合粒子的制备
• 3.1.2 HNT/NiO复合粒子的表征
• 3.1.3 HNT/NiO复合粒子对AP热分解性能的影响
• 2复合粒子的制备及其催化性能研究'>3.2 HNT/MnO₂复合粒子的制备及其催化性能研究
• 2复合粒子的制备'>3.2.1 HNT/MnO₂复合粒子的制备
• 2复合粒子的表征'>3.2.2 HNT/MnO₂复合粒子的表征
• 2复合粒子对AP热分解性能的影响'>3.2.3 HNT/MnO₂复合粒子对AP热分解性能的影响
• 3.3 HNT/ZnO复合粒子的制备及其催化性能研究
• 3.3.1 HNT/ZnO复合粒子的制备
• 3.3.2 HNT/ZnO复合粒子的表征
• 3.3.3 HNT/ZnO复合粒子对AP热分解性能的影响
• 3.4 HNT/金属氧化物复合粒子对AP的催化机理分析
• 3.5 本章小结
• 4 天然硅酸盐纳米管/铜复合催化剂的制备及其催化性能研究
• 4.1 金属Cu在HNT上的沉积
• 4.1.1 实验药品及仪器
• 4.1.2 化学镀激活液的配方及配法
• 4.1.3 化学镀铜镀液的配方
• 4.1.4 HNT/Cu复合粒子的制备
• 4.1.5 HNT/Cu/AP复合粒子的制备
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 实验原理
• 4.2.2 影响因素分析
• 4.3 HNT/Cu复合粒子的表征
• 4.3.1 XRD表征
• 4.3.2 TEM表征
• 4.4 HNT/Cu复合粒子对AP热分解性能的影响
• 4.5 HNT/Cu复合粒子对AP的催化机理分析
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢