系列金属氧化物纳米晶的制备、结构及其对高氯酸铵的催化性能研究

论文摘要

纳米材料的制备和应用是当今材料科学研究的热点之一。推进剂的燃烧性能是装药技术的核心，使用少量的燃烧催化剂是调节推进剂的燃烧性能的最佳途径。而通过催化剂对推进剂主要组分的热分解性能的影响可以予估其对推进剂燃烧性能的影响。本论文主要制备了纳米尺度的NiO，CuO等单一金属氧化物和LaFeO3，LaCoO3等系列钙钛矿型复合氧化物纳米晶，并考察了其对高氯酸铵（AP）热分解、推进剂燃烧性能的影响，为进一步开发催化性能优异的催化剂，提高火药装药的性能提供实验和理论基础。主要研究内容如下： 通过固相反应法制备了纳米NiO。用FTIR，XRD，EDS等手段分析了固相反应制备纳米NiO的可行性和反应历程。在固相反应过程中可以通过加入分散剂和控制热处理温度得到分散性良好的纳米NiO。同时与体相材料的比较表明：纳米NiO的红外吸收光谱呈现“红移”现象，紫外-可见光吸收光谱呈现“蓝移”现象。晶体的粒径随热处理温度的升高而增大、晶格畸变率随热处理温度的升高而降低。沿用制备纳米NiO的方法制备了包括CuO，Fe2O3，CuO·Fe2O3，CuFe2O4在内的Cu-Fe-O系统催化剂。 用氨基酸燃烧法制备了LaFeO3，LaCoO3，LaNiO3，LaFe0.2Co<sub>0.8O3，LaFe0.5Co0.5O3LaFe0.8Co0.2O3，NdFeO3等系列钙钛矿结构的纳米晶。产物与原料的投入比例一致，没有偏析现象。根据XRD衍射的数据，运用Fullprof程序软件对衍射数据指标化，并计算了晶胞参数。同时用TEM，HRTEM，SEM，EDS，Raman等手段对产物进行表征。计算了焙烧过程中LaFeO3和LaNiO3晶粒增长的活化能。以LaFeO3为例，对固相反应法和燃烧法产物做了比较，燃烧法制备的样品分散程度高于传统的固相法。以氨水为燃烧调节剂，可以提高产物的分散性。 详细考察了NiO，Cu-Fe-O系统催化剂，LaFeO3，LaCoO3，LaNiO3，LaFe0.2Co0.8O3，LaFe0.5Co0.5O3LaFe0.8Co0.2O3，NdFeO3AP热分解的催化性能。结果表明以上各种纳米材料对AP的热分解均具有催化作用： （1）纳米NiO使AP的高温分解反应峰值温度下降了93℃，表观分解反应放热量由0.59kJ·g-1增至1.4kJ·g-1，分解反应活化能由188J·mol-1降至120J·mol-1。依据电子转移的理论初步探讨了纳米NiO对AP热分解的催化机理； （2）Cu-Fe-O系列催化剂对AP热分解的催化性能的实验表明，CuO·Fe2O3的催化性能明显优于单一的Fe2O3和CuO，这是Fe2O3和CuO两种催化剂协同作用的结果。CuFe2O4在AP热分解中表现了优于CuO·Fe2O3的催化性能，这可能与尖晶石特殊的结构有关； （3）LaFeO3，LaCoO3，LaNiO3三种钙钛矿型纳米晶对AP热分解的催化性能依次

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 纳米材料简介
• 1.1.1 纳米材料的性能
• 1.1.2 纳米材料的制备方法
• 1.2 高氯酸铵（AP）及其热分解
• 1.2.1 高氯酸铵
• 1.2.2 高氯酸铵的热分解
• 1.2.3 AP热分解反应的催化机理
• 1.3 固体推进剂及其燃烧
• 1.3.1 复合推进剂的主要成分
• 1.3.2 影响复合推进剂燃烧性能的主要因素
• 1.3.3 催化作用机理
• 1.4 纳米催化剂在推进剂中的应用研究现状
• 1.4.1 对AP热分解的催化作用
• 1.4.2 纳米催化剂在推进剂中的应用研究
• 1.5 纳米催化剂在推进剂中应用存在问题
• 1.6 本文的研究背景和主要内容
• 2 纳米NiO和Cu-Fe-O系列催化剂的制备及表征
• 2.1 纳米NiO的制备和表征
• 2.1.1 纳米NiO的制备
• 2.1.2 纳米NiO的表征
• 2.1.3 纳米NiO制备的影响因素
• 2.2 Cu-Fe-O系列催化剂的制备和表征
• 2.2.1 Cu-Fe-O系统催化剂的制备
• 2.2.2 Cu-Fe-O系列催化剂的表征
• 2.3 本章小结
• 3 钙钛矿型纳米晶的制备和表征
• 3（M=Fe,Co,Ni）纳米晶'>3.1 自蔓延燃烧法制备LAMO₃（M=Fe,Co,Ni）纳米晶
• 3.1.2 工艺条件的确定
• 3（M=Fe,Co,Ni）纳米晶的制备'>3.1.2 LaMO₃（M=Fe,Co,Ni）纳米晶的制备
• 3（M=Fe,Co,Ni）的表征'>3.2 LaMO₃（M=Fe,Co,Ni）的表征
• 3.2.1 DTG-TG分析
• 3.2.2 XRD表征
• 3.2.3 电镜表征
• 3.2.4 SEM和EDS分析
• 3.2.5 拉曼光谱分析
• 3.3 分析与讨论
• 3.3.1 关于G／N配比的讨论
• 3（M=Fe,Ni）晶体增长的焙烧动力学研究'>3.3.2.LaMO₃（M=Fe,Ni）晶体增长的焙烧动力学研究
• 3.3.3 燃烧法同固相反应法的比较
• 3.3.4 初始原料中添加氨水对产物的影响
• 3.4 其它钙钛矿型纳米晶的制备和表征
• xCo_1-xO₃纳米晶的制备和表征'>3.4.1 LaFe_xCo_1-xO₃纳米晶的制备和表征
• 3的制备和表征'>3.4.2 NdFeO₃的制备和表征
• 3.5 本章小结
• 4 高氯酸氨热分解的催化性能研究
• 4.1.纳米NiO对AP热分解的催化作用
• 4.1.1 热分析试验研究
• 4.1.2 催化机理讨论
• 4.2.Cu-Fe-O系列催化剂对AP热分解的催化作用
• 4.3 钙钛矿型复合金属氧化物对AP热分解的催化作用
• 3（M=Fe,Co,Ni）催化性能研究'>4.3.1 LaMO₃（M=Fe,Co,Ni）催化性能研究
• xCo_1-x（x=0.2,0.5,0.8）催化性能研究'>4.3.2 LaFe_xCo_1-x（x=0.2,0.5,0.8）催化性能研究
• 3催化性能研究'>4.3.3 NdFeO₃催化性能研究
• 4.4 原位法纳米催化体系的设计及其在AP热分解中的应用
• 4.4.1 原位生成技术的机理
• 4.4.2 样品的制备
• 2O₄,CoC₂O₄,FeC₂O₄对AP热分解的催化作用'>4.4.3 CuC₂O₄,CoC₂O₄,FeC₂O₄对AP热分解的催化作用
• 4.5 AP热分解反应动力学研究
• 4.5.1 纳米NiO对AP热分解反应动力学的影响
• 3（M=Fe,Co,Ni）对AP热分解反应动力学的影响'>4.5.2 LaMO₃（M=Fe,Co,Ni）对AP热分解反应动力学的影响
• 4.6 本章小结
• 5 纳米催化剂对复合推进剂燃烧性能的影响
• 5.1 推进剂的燃烧速度及测试原理
• 5.1.1 推进剂的燃烧速度
• 5.1.2 靶线法的基本原理
• 5.1.3 燃速压力指数
• 5.2 纳米催化剂对复合推进剂燃烧性能的影响
• 3（M=Fe,Co,Ni）对药剂A燃烧性能的影响'>5.2.1 LaMO₃（M=Fe,Co,Ni）对药剂A燃烧性能的影响
• 5.2.2 纳米催化剂对药剂B燃烧性能的影响
• 3及其与稀土氧化物混合物对推进剂燃烧的催化作用'>5.2.3 LaCoO₃及其与稀土氧化物混合物对推进剂燃烧的催化作用
• 5.2.4 结果与讨论
• 5.3 本章小结
• 全文结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文