本文關鍵詞：石墨相氮化碳及其納米復合材料的制備與其在催化高氯酸銨熱分解中的應用研究

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【摘要】：高氯酸銨(AP)是一種廣泛應用的強氧化劑,其分解性能決定了推進劑的整體燃燒性能。此外,AP的熱分解受催化劑影響顯著,通過研究催化劑對AP熱分解性能影響的規(guī)律,可以評估催化劑對AP基推進劑整體燃燒性能的影響。本論文研究工作主要體現(xiàn)在兩方面:(1)石墨相氮化碳(g-C_3N_4)制備、表征及其在催化AP熱分解中的應用;(2)g-C_3N_4基復合材料的制備與其在催化AP熱分解中的應用。工作內(nèi)容如下:采用高溫燒結法制備g-C_3N_4、TeO_2 NPs/g-C_3N_4和Sn O2 NPs/g-C_3N_4復合材料并創(chuàng)造性地應用于AP的催化熱分解。通過場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、原子力顯微鏡(AFM)表征了其形貌和粒徑,X-射線衍射(XRD)、X-射線光電子能譜(XPS)表征其晶型結構和化學組成,傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、紫外分光光度計(UV-vis)表征其鍵合方式,熱重(TG-TGA)、差示熱分析(DTA)、差示掃描量熱(DSC)、熱重-紅外聯(lián)用光譜(TG-FTIR)分析AP的熱分解過程。結果表明,各種催化劑在不同程度上都可以催化AP熱分解。多層狀的宏觀相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復合材料均可以使AP的第二分解峰下降100°C度左右。研究了添加不同質量比(1wt%,3 wt%,5 wt%,10 wt%)的催化劑對催化AP熱分解的影響,結果表明,10 wt%催化劑的催化效果最佳。對不同升溫速率下(5°C?min~(-1),10°C?min~(-1),15°C?min~(-1),20°C?min~(-1),25°C?min~(-1))g-C_3N_4對催化AP熱分解的研究表明,AP的活化能(Ea=119.8 k J?mol)遠低于純AP的活化能(Ea=216.0 k J?mol)、表觀分解熱(1362.2J?g~(-1))遠高于純AP(574.2 J?g~(-1))。AP熱分解的氣相產(chǎn)物主要通過TG-FTIR測定,結果為: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熱分解峰值在380°C,對應的氣體經(jīng)過三維紅外光譜在390°C下被證實,分解峰溫度的延遲主要是由于TG分解產(chǎn)物要經(jīng)過管道進入紅外檢測器。通過實驗數(shù)據(jù)分析,提出一個可能的AP催化熱分解機理。g-C_3N_4表面是由含有氨基的三嗪環(huán)結構連接而成,其禁帶寬度只有2.7eV(1.4 eVvs-1.3 eV)。g-C_3N_4表面氨基和AP第一分解產(chǎn)物高氯酸通過路易斯酸-堿相互作用,使AP分解的平衡方程不斷地向分解產(chǎn)物一方移動。另外,價帶上的電子在熱激發(fā)下會遷移到導帶上,因此,價帶和導帶上會出現(xiàn)強氧化性的空穴和還原性的電子,高氯酸分子和氨氣分子在電子和空穴的作用下會進一步分解成小分子,從而加速AP的分解。
【關鍵詞】：g-C_3N_4 高氯酸銨 熱分解 禁帶寬度 路易斯酸-堿作用
【學位授予單位】：西南科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V51;TB332
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-25
• 1.1 含能材料簡介10-11
• 1.2 納米材料簡介11-12
• 1.3 高氯酸銨 (AP) 的特性及其熱分解12-13
• 1.3.1 AP的晶體結構12
• 1.3.2 AP的熱分解12
• 1.3.3 AP熱分解的催化機理12-13
• 1.4 過渡金屬氧化物在催化AP分解中的研究現(xiàn)狀13-18
• 1.4.1 單一組分氧化物對AP催化分解的研究13-16
• 1.4.2 納米復合材料在催化AP分解中的研究16-18
• 1.5 石墨相氮化碳 (g-C_3N_4) 的發(fā)展現(xiàn)狀18-23
• 1.5.1 g-C_3N_4自身結構的特點18-20
• 1.5.2 g-C_3N_4及其納米復合材料在光催化化學中的應用研究20-23
• 1.6 本論文的研究意義和工作內(nèi)容23-25
• 1.6.1 研究意義23-24
• 1.6.2 工作內(nèi)容24-25
• 2 宏觀g-C_3N_4及其量子點的制備與其催化性質研究25-39
• 2.1 引言25
• 2.2 試劑與儀器25-26
• 2.3 實驗內(nèi)容26-27
• 2.3.1 宏觀g-C_3N_4的制備26
• 2.3.2 g-C_3N_4量子點的制備26-27
• 2.4 結果與討論27-39
• 2.4.1 宏觀g-C_3N_4及其量子點的表征27-31
• 2.4.2 宏觀g-C_3N_4催化AP熱分解的研究31-39
• 2.5 本章小結39
• 3 TeO_2NPs/g-C_3N_4納米復合材料的制備及其催化性能研究39-51
• 3.1 試劑與儀器39-40
• 3.2 實驗內(nèi)容40-41
• 3.2.1 TeO_2 NPs/g-C_3N_4納米復合材料的制備40-41
• 3.3 結果與討論41-51
• 3.3.1 TeO_2 NPs/g-C_3N_4納米復合材料表征41-46
• 3.3.2 TeO_2 NPs/g-C_3N_4催化AP熱分解的研究46-51
• 3.4 本章小結51
• 4 SnO_2NPs/g-C_3N_4納米復合材料的制備及其催化性能研究51-64
• 4.1 實驗試劑與儀器51-52
• 4.2 實驗內(nèi)容52-53
• 4.2.1 SnO_2 NPs/g-C_3N_4納米復合材料的制備52-53
• 4.3 結果與討論53-63
• 4.3.1 SnO_2 NPs/g-C_3N_4納米復合材料的表征53-57
• 4.3.2 SnO_2 NPs/g-C_3N_4納米復合材料在催化AP熱分解中的研究57-62
• 4.3.3 SnO_2 NPs/g-C_3N_4復合材料催化AP的分解機理62-63
• 4.4 本章小結63-64
• 結論64-65
• 致謝65-66
• 參考文獻66-76
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文及研究成果76

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本文編號：745455