郝嘎子,李 麗,茍兵旺,肖 磊,胡玉冰,劉 杰,2,姜 煒,2,趙鳳起,高紅旭
(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.南京理工大學(xué)特種能源材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210094; 3.西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065)
相比傳統(tǒng)催化劑,納米催化劑因其顆粒粒徑小、比表面積大、催化活性位點(diǎn)多等特性,對高氯酸銨(AP)及AP基推進(jìn)劑表現(xiàn)出更好的催化效果[1-3]。
隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)通常兩種納米金屬氧化物復(fù)合之后,會表現(xiàn)出優(yōu)于它們形成的簡單混合物的協(xié)同催化作用[4-5]。目前,納米復(fù)合催化劑的制備方法主要包括:傳統(tǒng)固相反應(yīng)法、微乳液法、共沉淀法、熱分解法、溶膠-凝膠法等。WANG Y P等[6]采用固相反應(yīng)法合成了納米CuO/Fe2O3復(fù)合金屬氧化物,結(jié)果表明其對AP的催化活性優(yōu)于單純的納米CuO和Fe2O3,這歸因于復(fù)合催化劑的協(xié)同效應(yīng)。與基礎(chǔ)復(fù)合推進(jìn)劑相比,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%CuO/Fe2O3的改性推進(jìn)劑的燃燒速率約提高了55%,而壓強(qiáng)指數(shù)幾乎不變。WANG J X等[7]將不同摩爾比的Co3O4包覆在具有三維有序大孔的Fe2O3表面,形成Fe2O3/Co3O4核殼復(fù)合粒子,結(jié)果顯示Fe2O3/0.7Co3O4復(fù)合粒子對AP具有最佳的催化效果,當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),使AP的高溫分解峰溫從413.7℃提前至308.5℃(升溫速率20℃/min)。HOSSEINI S G等[8]采用微乳液法制備了系列CuO-NiO納米粒子,發(fā)現(xiàn)CuO-NiO摩爾比為1∶2時(shí)對AP具有最佳的催化效果,遠(yuǎn)優(yōu)于單一的納米CuO和NiO,這一現(xiàn)象表明納米CuO和NiO對AP存在協(xié)同催化作用。然而這些方法在納米催化劑的放大制備方面存在一定的限制。
關(guān)于納米CuO、納米Cr2O3這兩種催化劑對于AP的催化及在推進(jìn)劑中的研究較為廣泛,并且它們表現(xiàn)出了很好的催化性能[9-11];目前AP基推進(jìn)劑商用領(lǐng)域常用的催化劑CuCr2O4通常就是由納米CuO、納米Cr2O3或由其相應(yīng)的前驅(qū)體經(jīng)煅燒而制得[12-13],然而關(guān)于納米CuO、納米Cr2O3機(jī)械研磨復(fù)合物的催化研究則鮮有報(bào)道。本研究以納米CuO、納米Cr2O3兩種常見工業(yè)催化材料作為復(fù)合對象,通過機(jī)械研磨法批量制備納米CuO/納米Cr2O3復(fù)合金屬氧化物,對其性能進(jìn)行了表征,并研究組成及含量等對其催化AP性能的影響規(guī)律,以期為其在推進(jìn)劑中的規(guī)?;瘧?yīng)用提供參考。
CuO、Cr2O3,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;C2H5OH,分析純,南京化學(xué)試劑有限公司;納米CuO(粒徑約10~20nm)、納米Cr2O3(粒徑約20~30nm),機(jī)械研磨法自制;AP,粒徑約64μm,工業(yè)級,大連高氯酸銨廠;超細(xì)AP,平均粒徑分別為6.0和1.5μm,氣流粉碎法自制。
D8型X粉末射線衍射儀,德國Bruker公司;Tecnai 12型透射電子顯微鏡,美國FEI公司;S-4800Ⅱ掃描電鏡,日本Hitachi公司;SDT Q600型同步熱分析儀,美國TA儀器公司;HLG-5型納米化粉碎機(jī),國家超細(xì)粉體中心研制。
配置9~12kg的醇水分散液,其中乙醇和水的質(zhì)量比為1∶10。將原料CuO與原料Cr2O3按不同的摩爾比(1∶2、1∶1、1∶0.5、1∶0.25)分別混合形成4種總質(zhì)量均為1kg的混合物。將1kg某比例的混合物加入上述分散液中,控制漿料中混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%~10%。將漿料加入納米化粉碎機(jī)儲罐中,研磨料筒的主軸轉(zhuǎn)速控制在1200~1300r/min的范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)破碎,過程中采用工業(yè)AC-20型冷水機(jī)對粉碎機(jī)研磨缸和儲罐筒體進(jìn)行冷卻,控制出料口漿料溫度在20~30℃,循環(huán)粉碎2~3h后獲得納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物漿料。將得到的納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物漿料存放于塑料大桶中,靜置24h后通過虹吸方式除去漿料上層清液。將下層納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物濃稠漿料充分?jǐn)嚢韬笱b入不銹鋼盤,進(jìn)行程序式真空冷凍干燥,干燥結(jié)束后得到分散性良好的納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物。
作為對比,以相同的方法制備納米CuO與納米Cr2O3。
將AP與納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物按質(zhì)量比49∶1加入適量的乙酸乙酯中,進(jìn)行輕研磨獲得納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物/AP混合物樣品(若無特殊說明,本研究中催化劑/AP混合物中的催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為2%)。采用輕研磨的方式主要是考慮在研磨過程中盡量減小AP顆粒的變化。待溶劑揮發(fā)、混合物樣品完全干燥后,對納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物/AP混合物樣品進(jìn)行TG-DSC熱分析表征。
XRD測試條件:采用CuKα1輻射(λ=0.15406nm),操作電壓為40kV,操作電流為40mA,掃描范圍為20°~80°,掃描步長為0.02°/min;SEM測試條件:操作電壓為15~20kV;TEM測試條件:操作電壓為200kV;EDS測試條件:探測器為Si,加速電壓20kV;TG-DSC測試條件:升溫速率為20℃/min(若無特殊說明,本研究樣品TG-DSC測試的升溫速率均為20℃/min);N2流速為20mL/min;試樣質(zhì)量為1.5~2mg;溫度范圍為室溫~500℃;樣品池為加帶孔蓋子的鋁質(zhì)樣品池。納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物的催化性能以其與AP混合物的高溫分解峰溫、表觀分解熱等參數(shù)來表征。
作為對比,同時(shí)開展了納米CuO、納米Cr2O3、納米CuO/納米Cr2O3混合物對AP催化性能的研究。
通過機(jī)械研磨法制備的納米CuO、納米Cr2O3和納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物的XRD譜圖如圖1所示。
圖1 納米CuO、納米Cr2O3和納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of nano CuO, nano Cr2O3 and nano-Cu-Cr composite metal oxides
由圖1(a)可知,納米CuO的XRD粉末衍射特征峰和對應(yīng)晶面與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片(PDF#65-2309)對應(yīng)一致,屬于單斜晶系[14]。納米Cr2O3的XRD粉末衍射特征峰和對應(yīng)晶面與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片(PDF#38-1479)對應(yīng)一致,屬于六方晶系[15]。
由圖1(b)可以明顯地看到CuO和Cr2O3的特征衍射峰,隨著復(fù)合金屬氧化物中CuO/Cr2O3摩爾比的增大,納米CuO的(0 0 2)和(1 1 1)特征晶面衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),納米Cr2O3的(0 1 2)、(1 0 4)、(1 1 0)和(1 1 6)特征晶面的衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱,其中納米CuO的(0 0 2)晶面衍射峰和納米Cr2O3的(1 1 0)晶面衍射峰存在一定的重疊。與尖晶石結(jié)構(gòu)的CuCr2O4的XRD衍射峰標(biāo)準(zhǔn)譜圖(PDF#34-0424)相比不同,納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物的XRD衍射峰僅僅是納米CuO和Cr2O3衍射峰的疊加結(jié)果。此外,系列納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物的XRD衍射峰強(qiáng)度普遍較低。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因如下:(1)從晶體結(jié)構(gòu)變化角度來看,受高能機(jī)械研磨力場的作用,CuO和Cr2O3納米化復(fù)合過程發(fā)生晶格畸變,產(chǎn)生晶格缺陷,造成晶體結(jié)構(gòu)無序化,存在向非晶發(fā)展的趨勢[16],因此納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物的衍射峰強(qiáng)度變低,雜峰增多;(2)從原子軌道雜化角度來看,在高能機(jī)械力場的作用下,CuO和Cr2O3納米化復(fù)合過程中其晶體的原子軌道相互混雜,有新的雜化軌道的形成?;谝陨戏治?,在納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物中,CuO和Cr2O3之間或Cu、Cr之間可能產(chǎn)生了一定的化學(xué)效應(yīng)。根據(jù)納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)復(fù)合物的XRD衍射特征峰的衍射角2θ(35.6°、54.9°)和半高峰寬B(0.773°、0.477°)數(shù)據(jù),利用Scherrer公式
(1)
式中:D為顆粒粒徑,nm;λ為入射X射線波長,nm;B為衍射峰半高峰寬,(°);θ為衍射角,(°)。估算得到納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)復(fù)合物的粒徑分別為10.7和18.6nm。
圖2 納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物的EDS圖譜Fig.2 EDS spectrum of nano-Cu-Cr composite metal oxides
為了表征復(fù)合金屬氧化物的表面元素組成,對系列納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物表面元素進(jìn)行了EDS分析,如圖2所示。
由圖2可知,系列納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物中含有的元素均為Cu、Cr、O。其中Au元素和Al元素分別來源于測樣鍍金和樣品基座。因此EDS能譜分析表明,采用機(jī)械研磨法制備納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物過程中不會引入其他雜質(zhì)。
系列納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物的表面元素組成及含量如表1所示。
表1 納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物的表面元素組成及含量
由表1可知,系列納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物中CuO/Cr2O3的摩爾比與投料時(shí)的摩爾比基本一致,僅存在微小差異,這可能是由于購買原料的純度、稱量過程及測試過程的誤差引起的,表明在微觀狀態(tài)下納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物中的納米CuO和納米Cr2O3分布十分均勻。
為了進(jìn)一步表征納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物的均勻性,以納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)為代表進(jìn)行了表面元素分布表征,如圖3所示。
圖3 納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)復(fù)合金屬氧化物的EDS圖譜Fig.3 EDS maps of nano CuO/Cr2O3(1∶0.25) composite metal oxides
由圖3可知,在微小的區(qū)域內(nèi)(約20μm×15μm),代表納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)復(fù)合金屬氧化物中的Cu、Cr元素的色塊分布情況高度一致,證實(shí)了機(jī)械研磨法制備的納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物中的納米CuO與納米Cr2O3是均勻分布的。
納米CuO、納米Cr2O3和納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)復(fù)合金屬氧化物的SEM照片如圖4所示。
圖4 納米CuO、納米Cr2O3和納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of nano CuO, nano Cr2O3 and nano CuO/Cr2O3(1∶0.25) composite metal oxides
由圖4可以看出,納米CuO和納米Cr2O3的粒徑都很小,其平均粒徑分別為10~20nm、20~30nm。其中,納米Cr2O3顆粒相對團(tuán)聚,部分細(xì)小顆粒團(tuán)聚在一起形成了約100nm的簇。納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)復(fù)合金屬氧化物的粒徑分布在10~100nm,其中大顆粒為小粒子之間形成的團(tuán)簇體。進(jìn)一步觀測了納米CuO、納米Cr2O3和納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)復(fù)合金屬氧化物的TEM圖像,如圖5所示,TEM測試結(jié)果與SEM結(jié)果一致。
圖5 納米CuO、納米Cr2O3和納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物的TEM圖Fig.5 TEM images of nano CuO, nano Cr2O3 and nano CuO/Cr2O3(1∶0.25) composite metal oxides
2.4.1 催化劑組成對其催化性能的影響
為了研究催化劑組成和復(fù)合方式對其催化性能的影響,對AP樣品進(jìn)行了熱分析測試。3種AP樣品在20 ℃/min升溫速率下的DSC-TG-DTG曲線如圖6所示,多種AP樣品熱分解性能基本參數(shù)如表2所示。
圖6 3種AP樣品的DSC-TG-DTG曲線Fig.6 DSC-TG-DTG curves of three AP samples
從圖6(a)中可以看出,純AP的熱分解可分為3個(gè)階段[17-18]:(1)晶型轉(zhuǎn)變階段,大約在240~250℃,AP晶型由斜方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄担?2)低溫分解階段,大約在300~330 ℃,主要涉及AP的固-氣多相反應(yīng),部分AP分解為中間產(chǎn)物;(3)高溫分解階段,大約在400~480 ℃,主要涉及AP的氣相反應(yīng),此過程AP完全分解為氣相產(chǎn)物。AP的熱分解表現(xiàn)在DSC曲線上一般有3個(gè)不同的分解峰溫,分別為晶型轉(zhuǎn)變吸熱峰、低溫分解峰和高溫分解峰;表現(xiàn)在TG曲線上一般有兩個(gè)失重過程。
表2 不同AP樣品的熱分解性能基本參數(shù)
根據(jù)圖6和表2可知,納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物/AP混合物的DSC曲線顯示其高溫分解峰較純AP提前,并與低溫分解峰部分融合;表現(xiàn)在TG曲線上僅有一個(gè)失重過程。納米CuO/Cr2O3(1∶2)、納米CuO/Cr2O3(1∶1)、納米CuO/Cr2O3(1∶0.5)和納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)可使AP的高溫分解峰溫從441.3 ℃分別降至360.9、357.7、354.9和351.1℃,提前值分別為80.4、83.6、86.4和90.2℃;同時(shí),使AP的表觀分解熱從941J/g分別增至1658、1720、1742和1778 J/g,增長率分別為76.2%、82.8%、85.1%和88.9%;表明系列納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物對AP均具有很好的催化效果。隨著CuO/Cr2O3摩爾比的增大,催化效果明顯增強(qiáng)。對比Te、Tc、Tm值的提前,再次表明納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)對AP的催化效果最好。
通過與納米CuO/AP、Cr2O3/AP和CuO/Cr2O3(1∶0.25)(共混)/AP 3種混合物樣品進(jìn)行對比,納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)/AP混合物的TH分別提前了7.2、18.1和5.1℃,同時(shí)其表觀分解熱較高,表明通過機(jī)械研磨法將一定的比例納米CuO與納米Cr2O3進(jìn)行高效混合,其對AP所表現(xiàn)出的催化效果明顯優(yōu)于單一納米催化劑或兩者混合而成的混合催化劑。
納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)對AP優(yōu)越的催化性能得益于CuO、Cr2O3均屬于P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),存在空穴能夠?qū)щ姡谘趸€原過程中可加速電子轉(zhuǎn)移[19]。對比單一納米CuO、納米Cr2O3和納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)(共混)3種催化劑,納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)中納米CuO和納米Cr2O3在高能機(jī)械研磨力場的作用下,充分實(shí)現(xiàn)了介觀下的復(fù)合,其晶格缺陷更多、空穴更多,能進(jìn)一步加速電子轉(zhuǎn)移速率,表現(xiàn)出不同金屬元素之間的協(xié)同催化作用,因此其對AP具有更好的熱分解催化作用。
進(jìn)一步對AP(d50=64μm)、納米CuO/AP、CuO/Cr2O3(1∶0.25)(共混)/AP和CuO/Cr2O3(1∶0.25)/AP混合物4種AP樣品的熱分解動力學(xué)進(jìn)行研究,不同AP樣品在不同升溫速率下的DSC曲線如圖7所示。
圖7 不同AP樣品在不同升溫速率下的DSC曲線Fig.7 DSC curves of different AP samples at different heating rates
AP熱分解的動力學(xué)參數(shù)可根據(jù)其高溫分解峰溫與升溫速率的函數(shù)關(guān)系(Kissinger法)[20]求得:
(2)
式中:β為升溫速率,分別為5、10、15、20℃/min;Tp為高溫分解峰溫,℃;R為理想氣體常數(shù),J/mol/K;Ea為活化能,kJ/mol;A為指前因子,s-1。
圖8 不同AP樣品的Fig.8 Dependence of ) on 1/Tpfor high temperaturedecomposition of AP samples
表3 不同AP樣品的線性擬合公式
再根據(jù)Arrenius方程計(jì)算出速率常數(shù)k,根據(jù)方程(4)~(6)可以獲得活化焓、活化熵、活化吉布斯自由能。式中kB(1.381×10-23J/K)和h(6.626×10-34J/s)分別為玻爾茲曼常數(shù)和普朗克常數(shù)[21]。
(3)
ΔH≠=Ea-RTp
(4)
ΔS≠=R[lnA-ln(kBTp/h)]
(5)
ΔG≠=ΔH≠-TpΔS≠
(6)
根據(jù)上述公式,對不同AP樣品的熱分解熱力學(xué)、動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,相關(guān)參數(shù)如表4所示。
表4 不同AP樣品的熱分解熱力學(xué)和動力學(xué)參數(shù)
由表4可知,納米CuO/AP混合物和納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)(共混)/AP混合物的活化能較AP(d50=64μm)明顯減小,納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)/AP混合物的活化能較AP明顯增大,這是由于熱力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)所導(dǎo)致,盡管納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)/AP混合物的活化能較大,但是其指前因子也增大[22-23],綜合表現(xiàn)出來其吉布斯自由能最低。由于吉布斯自由能越低表明反應(yīng)更易進(jìn)行,對比3種混合物的吉布斯自由能都較AP降低,表明不同的催化劑均使AP的熱分解反應(yīng)更易進(jìn)行,然而納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)效果最優(yōu)。
2.4.2 催化劑含量對AP催化性能的影響
為了研究催化劑含量對AP催化性能的影響,對質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%~4%納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)/AP的混合物進(jìn)行了熱分析測試,不同AP樣品的DSC曲線如圖9所示。
圖9 質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%~4%納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)/AP混合物的DSC曲線Fig.9 DSC curves of 1%-4% nano CuO/Cr2O3(1∶0.25)/AP samples
由圖9可知,隨著納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)添加量的增大,納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)/AP混合物高溫?zé)岱纸夥逯饾u提前。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、2%、3%和4%的納米CuO/Cr2O3(1∶0.25),納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)/AP混合物的高溫?zé)岱纸夥鍦貜募傾P的441.3℃分別降至360.9、351.1、347.3和343.1℃,降低值分別為80.4、90.2、94.0和98.2℃;納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)AP混合物的表觀分解熱從純AP的941 J/g分別提高至1700、1778、1704和1763J/g。
隨著納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)含量的增加,納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)/AP混合物表觀分解熱呈現(xiàn)先增后減趨勢。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)與AP形成的混合物表觀分解熱的數(shù)值達(dá)到最大。這是由于隨納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)含量的增加,與AP具有更多的接觸活性位點(diǎn),可以促進(jìn)AP的熱分解反應(yīng),提高其表觀分解熱;但是隨著納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)含量的進(jìn)一步增加,AP的表觀分解熱又呈減小趨勢,即催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2%,混合物中AP的含量進(jìn)一步降低,從而導(dǎo)致混合物的表觀分解熱降低。
通常,期望使用較少的催化劑,使AP高溫分解溫提前的同時(shí)能夠增加AP的表觀分解熱。結(jié)合納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)對AP高溫分解峰溫提前和表觀分解熱增加的綜合影響,可以確定納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%時(shí),其對AP具有最優(yōu)的熱分解催化效果。
(1)采用機(jī)械研磨法批量制備了組成不同、粒徑分布在10~100nm的納米Cu-Cr復(fù)合金屬氧化物,其中納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)對AP表現(xiàn)出了最優(yōu)的催化劑效果,使AP的高溫分解峰溫提前,表觀分解熱增加,反應(yīng)速率常數(shù)提高。
(2)與單一的納米CuO、納米Cr2O3相比,納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)表現(xiàn)出了協(xié)同催化的效果,這可能是由于在高能研磨過程中,納米CuO和納米Cr2O3發(fā)生晶格畸變,產(chǎn)生晶格缺陷,造成晶體結(jié)構(gòu)無序化,晶體的原子軌道相互混雜,有新的雜化軌道形成等原因,促使納米CuO/Cr2O3(1∶0.25)的催化活性更高。這一結(jié)果有助于推動納米復(fù)合金屬氧化物的制備及其在固體推進(jìn)劑領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程。