石墨相氮化碳及其纳米复合材料的制备与其在催化高氯酸铵热分解中的应用研究

发布时间：2017-08-27 12:02

  本文关键词：石墨相氮化碳及其纳米复合材料的制备与其在催化高氯酸铵热分解中的应用研究

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【摘要】：高氯酸铵(AP)是一种广泛应用的强氧化剂,其分解性能决定了推进剂的整体燃烧性能。此外,AP的热分解受催化剂影响显著,通过研究催化剂对AP热分解性能影响的规律,可以评估催化剂对AP基推进剂整体燃烧性能的影响。本论文研究工作主要体现在两方面:(1)石墨相氮化碳(g-C_3N_4)制备、表征及其在催化AP热分解中的应用;(2)g-C_3N_4基复合材料的制备与其在催化AP热分解中的应用。工作内容如下:采用高温烧结法制备g-C_3N_4、TeO_2 NPs/g-C_3N_4和Sn O2 NPs/g-C_3N_4复合材料并创造性地应用于AP的催化热分解。通过场发射扫描电镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)表征了其形貌和粒径,X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)表征其晶型结构和化学组成,傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外分光光度计(UV-vis)表征其键合方式,热重(TG-TGA)、差示热分析(DTA)、差示扫描量热(DSC)、热重-红外联用光谱(TG-FTIR)分析AP的热分解过程。结果表明,各种催化剂在不同程度上都可以催化AP热分解。多层状的宏观相g-C_3N_4使AP的第二分解峰下降70°C,TeO_2 NPs/g-C_3N_4和SnO_2 NPs/g-C_3N_4复合材料均可以使AP的第二分解峰下降100°C度左右。研究了添加不同质量比(1wt%,3 wt%,5 wt%,10 wt%)的催化剂对催化AP热分解的影响,结果表明,10 wt%催化剂的催化效果最佳。对不同升温速率下(5°C?min~(-1),10°C?min~(-1),15°C?min~(-1),20°C?min~(-1),25°C?min~(-1))g-C_3N_4对催化AP热分解的研究表明,AP的活化能(Ea=119.8 k J?mol)远低于纯AP的活化能(Ea=216.0 k J?mol)、表观分解热(1362.2J?g~(-1))远高于纯AP(574.2 J?g~(-1))。AP热分解的气相产物主要通过TG-FTIR测定,结果为:H_2O(g)(3400-3650cm~(-1)),NH_3(1650-1620 cm~(-1)),HCl(1750-3000 cm~(-1)),N_2O,NO_2(2202-2238,1380-1320,840-800 cm~(-1))和ClO_3(1000-900 cm~(-1))。在g-C_3N_4作用下,AP热分解峰值在380°C,对应的气体经过三维红外光谱在390°C下被证实,分解峰温度的延迟主要是由于TG分解产物要经过管道进入红外检测器。通过实验数据分析,提出一个可能的AP催化热分解机理。g-C_3N_4表面是由含有氨基的三嗪环结构连接而成,其禁带宽度只有2.7eV(1.4 eVvs-1.3 eV)。g-C_3N_4表面氨基和AP第一分解产物高氯酸通过路易斯酸-碱相互作用,使AP分解的平衡方程不断地向分解产物一方移动。另外,价带上的电子在热激发下会迁移到导带上,因此,价带和导带上会出现强氧化性的空穴和还原性的电子,高氯酸分子和氨气分子在电子和空穴的作用下会进一步分解成小分子,从而加速AP的分解。
【关键词】：g-C_3N_4 高氯酸铵 热分解 禁带宽度 路易斯酸-碱作用
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V51;TB332
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-25
• 1.1 含能材料简介10-11
• 1.2 纳米材料简介11-12
• 1.3 高氯酸铵 (AP) 的特性及其热分解12-13
• 1.3.1 AP的晶体结构12
• 1.3.2 AP的热分解12
• 1.3.3 AP热分解的催化机理12-13
• 1.4 过渡金属氧化物在催化AP分解中的研究现状13-18
• 1.4.1 单一组分氧化物对AP催化分解的研究13-16
• 1.4.2 纳米复合材料在催化AP分解中的研究16-18
• 1.5 石墨相氮化碳 (g-C_3N_4) 的发展现状18-23
• 1.5.1 g-C_3N_4自身结构的特点18-20
• 1.5.2 g-C_3N_4及其纳米复合材料在光催化化学中的应用研究20-23
• 1.6 本论文的研究意义和工作内容23-25
• 1.6.1 研究意义23-24
• 1.6.2 工作内容24-25
• 2 宏观g-C_3N_4及其量子点的制备与其催化性质研究25-39
• 2.1 引言25
• 2.2 试剂与仪器25-26
• 2.3 实验内容26-27
• 2.3.1 宏观g-C_3N_4的制备26
• 2.3.2 g-C_3N_4量子点的制备26-27
• 2.4 结果与讨论27-39
• 2.4.1 宏观g-C_3N_4及其量子点的表征27-31
• 2.4.2 宏观g-C_3N_4催化AP热分解的研究31-39
• 2.5 本章小结39
• 3 TeO_2NPs/g-C_3N_4纳米复合材料的制备及其催化性能研究39-51
• 3.1 试剂与仪器39-40
• 3.2 实验内容40-41
• 3.2.1 TeO_2 NPs/g-C_3N_4纳米复合材料的制备40-41
• 3.3 结果与讨论41-51
• 3.3.1 TeO_2 NPs/g-C_3N_4纳米复合材料表征41-46
• 3.3.2 TeO_2 NPs/g-C_3N_4催化AP热分解的研究46-51
• 3.4 本章小结51
• 4 SnO_2NPs/g-C_3N_4纳米复合材料的制备及其催化性能研究51-64
• 4.1 实验试剂与仪器51-52
• 4.2 实验内容52-53
• 4.2.1 SnO_2 NPs/g-C_3N_4纳米复合材料的制备52-53
• 4.3 结果与讨论53-63
• 4.3.1 SnO_2 NPs/g-C_3N_4纳米复合材料的表征53-57
• 4.3.2 SnO_2 NPs/g-C_3N_4纳米复合材料在催化AP热分解中的研究57-62
• 4.3.3 SnO_2 NPs/g-C_3N_4复合材料催化AP的分解机理62-63
• 4.4 本章小结63-64
• 结论64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-76
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果76

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本文编号：745455