纳米Mn<sub>3</sub>O<sub>4</sub>复合催化剂的制备及其对AP热分解性能的影响

冯杨; 何杰鑫; 鲁月文; 杨岚婷; 王茜; 刘珉; 郭长平; 杨光成; FENG Yang; HE Jie-xin; LU Yue-wen; YANG Lan-ting; WANG Qian; LIU Ming; GUO Chang-ping; YANG Guang-cheng

引 en

纳米Mn₃O₄复合催化剂的制备及其对AP热分解性能的影响

冯杨¹

机构：西南科技大学四川省新型含能材料军民融合协同创新中心, 四川绵阳 621010

邮箱：m15082520280@163.com

作者简介：冯杨(1998-)，男，本科，特种能源技术与工程专业学生。e‑mail：m15082520280@163.com
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何杰鑫¹

机构：西南科技大学四川省新型含能材料军民融合协同创新中心, 四川绵阳 621010

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鲁月文¹

机构：西南科技大学四川省新型含能材料军民融合协同创新中心, 四川绵阳 621010

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杨岚婷¹

机构：西南科技大学四川省新型含能材料军民融合协同创新中心, 四川绵阳 621010

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王茜¹

机构：西南科技大学四川省新型含能材料军民融合协同创新中心, 四川绵阳 621010

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刘珉¹

机构：西南科技大学四川省新型含能材料军民融合协同创新中心, 四川绵阳 621010

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郭长平^{1guochangping001@163.com}

机构：西南科技大学四川省新型含能材料军民融合协同创新中心, 四川绵阳 621010

角色：通讯作者

邮箱：guochangping001@163.com

作者简介：郭长平(1982-)，男，讲师，主要从事含能材料改性的研究。e‑mail：guochangping001@163.com
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杨光成²

机构：中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳 621999

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1. 西南科技大学四川省新型含能材料军民融合协同创新中心, 四川绵阳 621010； 2. 中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳 621999

中图分类号: TJ55； O76

DOI:10.11943/CJEM2018281

Preparation of Nano‑Mn₃O₄ Composite Catalyst and It′s Catalyst Effect on the Thermal Decomposition Performance of AP

FENG Yang¹

Affiliation：Sichuan Co‑Innovation Center for New Energetic Materials, Southwest University of Science and Technology , Mianyang 621010, China

Email：m15082520280@163.com
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HE Jie‑xin¹

Affiliation：Sichuan Co‑Innovation Center for New Energetic Materials, Southwest University of Science and Technology , Mianyang 621010, China

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LU Yue‑wen¹

Affiliation：Sichuan Co‑Innovation Center for New Energetic Materials, Southwest University of Science and Technology , Mianyang 621010, China

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YANG Lan‑ting¹

Affiliation：Sichuan Co‑Innovation Center for New Energetic Materials, Southwest University of Science and Technology , Mianyang 621010, China

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WANG Qian¹

Affiliation：Sichuan Co‑Innovation Center for New Energetic Materials, Southwest University of Science and Technology , Mianyang 621010, China

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LIU Min¹

Affiliation：Sichuan Co‑Innovation Center for New Energetic Materials, Southwest University of Science and Technology , Mianyang 621010, China

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GUO Chang‑ping^{1guochangping001@163.com}

Affiliation：Sichuan Co‑Innovation Center for New Energetic Materials, Southwest University of Science and Technology , Mianyang 621010, China

Role：Corresponding author

Email：guochangping001@163.com
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YANG Guang‑cheng²

Affiliation：Institute of Chemical Materials， CAEP， Mianyang 621999， China

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1. Sichuan Co‑Innovation Center for New Energetic Materials, Southwest University of Science and Technology , Mianyang 621010, China； 2. Institute of Chemical Materials， CAEP， Mianyang 621999， China

CLC: TJ55； O76

DOI:10.11943/CJEM2018281

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摘要

为了提升高氯酸铵（AP）基固体推进剂的燃烧及点火等性能，采用离子交换法制备了海藻酸锰薄膜，煅烧后得到了纳米Mn₃O₄复合催化剂，研究了其对AP热分解性能的影响。采用扫描电镜、傅里叶红外、X射线光电子能谱仪、X射线衍射仪等对制备的纳米Mn₃O₄复合催化剂形貌和结构进行了表征。结果表明，通过锰离子交换后，海藻酸钠变为海藻酸锰，所形成的薄膜表面光滑致密；400 ℃煅烧后原位生成的纳米Mn₃O₄颗粒负载在碳化后的海藻酸骨架上，其对AP的催化效果随着纳米Mn₃O₄复合催化剂含量的增加而增强，并且放热速率明显增加；当纳米Mn₃O₄复合催化剂含量为3%时，与纯AP相比, AP的分解温度降低了89.1 ℃。

Abstract

To improve the combustion and ignition performances of ammonium perchlorate (AP)‑based composite solid propellants, the manganese alginate film was prepared by an ion exchange method, and the nano‑Mn₃O₄ composite catalyst was obtained after calcinations of the film. The effect of nano‑Mn₃O₄ composite catalyst on the thermal decomposition performances of AP was studied. The morphology and structure of prepared nano‑Mn₃O₄ composite catalyst were characterized by scanning electron microscopy(SEM), Fourier transform infrared (FT‑IR) spectroscopy, X‑ray photoelectron spectrometer (XPS) and X‑ray diffractometer(XRD). Results show that after the exchange of manganese ion, sodium alginate becomes manganese alginate, formed film surface is smooth and dense. After calcinations at 400 ℃, in situ‑grown nano‑Mn₃O₄ particle is loaded onto the carbonized alginate skeleton. The catalytic effect on AP enhances with increasing the content of nano‑Mn₃O₄ composite catalyst and the exothermic rate also increases significantly. Compared with pure AP, the decomposition temperature of AP decreases by 89.1 ℃ when the content of nano‑Mn₃O₄ composite catalyst is 3%.

Graphic Abstract

图文摘要

html/hncl/CJEM2018281/alternativeImage/45e5112a-77cc-4a80-84c3-305dcf1da974-F004.jpg

关键词

纳米四氧化三锰; 海藻酸锰; 高氯酸铵（AP）; 热分解性能; 纳米复合催化剂

Keywords

nano‑Mn3O4; manganese alginate; ammonium perchlorate(AP); thermal decomposition performance; nano‑composite catalyst

1 引言

1

高氯酸铵（AP）是当前固体复合推进剂中常用的氧化剂，它的热分解性能直接影响推进剂的点火、燃烧等性能，因此降低它的热分解温度对提高AP基固体推进剂燃烧性能有重要意义^[1,2,3]。目前，一般采用纳米过渡金属或其氧化物，如铁、钴、锰等^[4,5,6]作为催化剂，来降低AP的热分解温度。但由于纳米催化剂容易团聚而降低催化效率，故相关研究常采用二维或三维多孔材料负载纳米催化剂来解决团聚问题。一般采用两步法来合成纳米复合催化剂：首先采用一定的方法制备纳米催化剂，然后再将其负载到目标材料上^[7,8]。该方法虽然取得了一定的效果，但仍然存在无法大量制备、制备周期长、负载不均匀等缺点，因此需要一种更有效的方法来制备纳米复合催化剂。

海藻酸钠（SA）是从褐藻中提取的一种可溶于水的多糖化合物，具有经济、环保等性能^[9]，其分子结构中的钠离子可以被二价或多价的金属离子所取代生成不溶于水的海藻酸金属盐凝胶，干燥后在隔绝空气条件下可以被碳化，而其分子中的金属离子以纳米尺寸的金属或其氧化物颗粒均匀地负载在碳骨架上，有效防止纳米颗粒的团聚，一步制得复合纳米催化剂。目前该材料在环境、催化合成及材料降解等领域已经广泛应用^[10,11]，但对AP的催化研究鲜有报道^[12]。

复合催化剂的催化效果与催化剂的负载量密切相关，多价过渡金属离子交换钠离子越完全，负载量越高，故在制备海藻酸金属盐的过程中，需要过渡金属离子溶液和SA有较好的离子交换能力与较大的接触面积。在众多的过渡金属催化剂中，Mn元素对SA的离子交换和AP的催化均具有较好的效果^[13,14]同时薄膜可以满足较大的接触面积。为此，本文采用离子交换法制备了海藻酸锰(MA)薄膜，通过煅烧后的电镜、XRD，拉曼曲线和XPS结果表明，生成的纳米Mn₃O₄负载在碳骨架上，该复合催化剂对AP有较好的催化效果。
2 实验部分

2
2.1 试剂与仪器

2.1

试剂：SA，50%的硝酸锰溶液，均为成都市科龙化工试剂厂；AP，阿拉丁试剂公司；以上试剂均为分析纯。

仪器：UItra55型高分辨冷场发射扫描显微镜（SEM），加速电压10 kV；发射电流10 μA；德国Carl zeissNTS GmbH；Tensor27型傅里叶变换红外光谱仪，在4000~400 cm^-1以0.5 cm^-1的间隔扫描1%的固体样品，分辨率为4 cm^-1，德国Bruker公司；X Pert pro型X‑射线衍射仪，Gu靶K_α辐射；光管电压3 kV；电流5 mA；入射狭缝2 mm；步长0.03°，荷兰帕纳科公司；InVia激光拉曼光谱仪，在4000~400 cm^-1以1 cm^-1的间隔扫描固体样品，分辨率为1 cm^-1，英国Renishaw公司；DSC‑131型差示扫描量热仪，升温速率10 ℃·min^-1，N₂气氛，流速10 mL·min^-1，取样量0.7 mg，法国塞塔拉姆公司。EOS 80D单反相机, 日本Canon公司。
2.2 制备MA薄膜

2.2

MA薄膜的制备过程：50 ℃水浴条件下配置质量浓度为3%的SA水溶液，过滤除去不溶物，此时溶液为无色透明状液体，静置2 h除泡。待溶液冷却至室温后将其以0.1 g·cm^-2的用量平铺在玻璃板上，置于50 ℃烘箱中干燥8 h，揭下无色透明薄膜待用。将揭下的SA薄膜剪成2.5 cm×2.5 cm的正方形薄片，放入质量浓度为7%的硝酸锰水溶液溶液中进行离子交换，30 min后取出，用蒸馏水超声洗涤1 min，重复3次，干燥，得到淡蓝色透明的MA薄膜。
2.3 制备纳米Mn₃O₄复合催化剂

2.3

将之前得到的MA薄膜置于管式炉中，N₂气氛条件下进行煅烧，具体升温条件为：从30 ℃开始升温，升温速率5 ℃·min^-1，温度达到400 ℃后保温2 h，降温到30 ℃后取出，得到纳米Mn₃O₄复合催化剂，此时薄膜被碳化成黑色小薄片，取出待用。

将得到的纳米Mn₃O₄复合催化剂与AP按质量分数为0.5%、1%、2%、3%和4%的比例进行研磨混合；同时，为对比SA本身对AP分解性能的影响，制备原料SA质量为混合物总质量2%的SA/AP混合物。
3 结果与讨论

3
3.1 MA薄膜及纳米Mn₃O₄复合催化剂形貌

3.1

采用单反相机和SEM对SA薄膜、MA薄膜及纳米Mn₃O₄复合催化剂的形貌进行了表征，结果如图1所示。图1a和图1d分别为SA薄膜和MA薄膜的相机形貌图，图1b和图1c为MA薄膜的SEM形貌图，图1e和图1f为纳米Mn₃O₄复合催化剂的SEM形貌图。从图1a和图1d可以看出，所制备的SA薄膜无色透明，MA薄膜淡蓝色透明，二者表面均光滑平整；同时，为研究MA薄膜煅烧后和纳米Mn₃O₄复合催化剂结构的差别，对MA薄膜和纳米Mn₃O₄复合催化剂用SEM放大10倍观察（图1b和图1e），表明MA薄膜（图1b）的厚度约10 μm左右，表面和侧面均光滑平整，纳米Mn₃O₄复合催化剂表面（图1e）同样光滑平整；继续放大到5000倍，可见图1c情况与图1b一致，MA薄膜仍表面光滑，但MA薄膜在400 ℃煅烧后所生成的纳米Mn₃O₄复合催化剂表面（图1f)变得粗糙，明显有颗粒物生成。

图1 SA薄膜、MA薄膜与纳米Mn₃O₄复合催化剂形貌的SEM图

Fig.1 SEM images of the morphology of sodium alginate (SA) film, manganese alginate (MA) film and nano‑Mn₃O₄ composite catalyst
3.2 MA薄膜及纳米Mn₃O₄复合催化剂成分

3.2

为研究SA中的钠离子是否已经被锰离子取代形成MA，对SA薄膜和离子交换后的薄膜进行了红外分析，如图2所示。从图2中SA曲线可以看出，1596.90 cm^-1处和1476.07 cm^-1处的两个吸收峰分别为其分子结构中羰基的不对称和对称伸缩振动引起的，而MA曲线中该官能团的吸收峰变为1586.59 cm^-1和1400.28 cm^-1，这主要是由于摩尔质量较大的锰离子替代钠离子所引起的，该现象与文献[15]一致。同时，在3500~1300 cm^-1波段区原料SA薄膜和离子交换后的薄膜红外光谱图有一定的区别，由宽峰变成尖锐峰，分析认为，该波段的吸收峰主要是由SA分子中的羟基引起的，当锰离子取代钠离子后，羟基上的孤对电子会和锰离子上的空轨道结合形成高分子螯合物，使羟基的伸缩振动发生改变。红外结果表明通过离子交换后SA变成MA，这与文献[16]的结果是一致的。

图2 SA和MA薄膜的傅里叶红外谱图

Fig.2 FT‑IR spectra of SA and MA film

采用XRD对煅前后的MA进行了表征，如图3所示。从图3中可以看出，MA薄膜的XRD曲线没有明显衍射峰，说明其为无定型结构；而当其在400 ℃煅烧生成纳米Mn₃O₄复合催化剂后，在2θ为32.32°、36.09°、44.44°、50.71°和59.84°处出现衍射峰，和Mn₃O₄的标准卡片PDF#24‑0734相对应^[17,18]，说明在加热过程中有Mn₃O₄生成。分析认为，MA薄膜在加热过程中，其分子结构中的羧酸锰原位分解生成了Mn₃O₄纳米颗粒。为进一步确定Mn₃O₄纳米颗粒的负载物成分，采用拉曼光谱仪对煅烧前后的MA进行了表征，如图4。从图4中可以看出，煅烧前MA的拉曼曲线没有明显的峰值，而在400 ℃煅烧后，拉曼光谱分别在1401.31 cm⁻¹和1591.85 cm⁻¹处出现两个峰，分别为无序的sp³碳和石墨化sp²碳，此时MA中的C—H键已经全部断裂，分析认为MA碳链已经全部碳化，生成碳骨架结构，这与文献[19]结果一致，该结构能有效防止纳米Mn₃O₄的团聚^[20]。

图3 Mn₃O₄标准卡片及MA煅烧前后XRD图

Fig.3 XRD patterns of Mn₃O₄ standard card and MA before and after calcinations

图4 MA煅烧前后的Raman光谱图

Fig.4 Raman spectra of MA before and after calcination

同时，为了进一步研究锰元素的化学环境，在0~1350 eV的范围内对煅烧后的MA薄膜进行了XPS测试，如图5所示。对曲线进行分峰后可以看到C 1s、O 1s、Mn 2p和Mn 3s的曲线，表明纳米Mn₃O₄复合催化剂样品中含有C、O和Mn元素，说明MA经过碳化后结构中仍含有氧元素。此外，图5b显示了Mn 2p分别在653.28 eV和641.68 eV处有两个峰，这些峰分别对应于Mn 2p_1/2和Mn 2p_3/2结合能，图5d在88.88 eV和83.48 eV处分别有两个峰，这些峰对应于Mn 3s结合能，两者说明锰元素为+2和+3价，加热过程中生成的催化剂为纳米Mn₃O₄，负载在骨架上。

a. C,Mn,O

b. Mn 2p_1/2, Mn 2p_1/2

c. O 1s

d. Mn 3s

图5 纳米Mn₃O₄复合催化剂的XPS图谱.

Fig.5 XPS spectra of nano‑Mn₃O₄ composite catalyst
3.3 纳米Mn₃O₄复合催化剂对AP热催化性能的影响

3.3

对原料AP、SA/AP混合物（SA/AP）、不同含量纳米Mn₃O₄复合催化剂/AP混合物（Mn₃O₄/AP）进行了DSC和TG分析，如图6所示。由图6a可以看出，AP的分解有三个阶段：从244 ℃开始的晶型转变的吸热峰，AP由斜方晶系转变为立方晶系；到达低温放热峰时，AP部分分解，生成中间产物；到达高温分解峰时，AP完全分解，生成挥发性产物，这与文献[17]记载分解过程基本相同,但也有差异，并不是加入纳米Mn₃O₄复合催化剂含量越高，高温分解峰温提前越多。随着纳米Mn₃O₄复合催化剂的含量从0.5%增加到4%，两个放热峰距离越来越近，甚至出现两峰合并，在纳米Mn₃O₄复合催化剂含量为0.5%~3%时，AP的高温分解峰温随着纳米Mn₃O₄复合催化剂的含量增加而提前，从343.59 ℃提前到336.71 ℃，再提前到335.24 ℃，在3%时提前到329.9 ℃，达到最低高温分解峰温；当纳米Mn₃O₄复合催化剂含量达到4%，温度反而延后到332.19 ℃，这可能是纳米Mn₃O₄复合催化剂过量造成的。当SA与AP混合时，只能使AP的热分解温度降低40.05 ℃，远不及0.5%纳米Mn₃O₄复合催化剂的催化效果（分解温度降低了75.41 ℃），这说明在纳米Mn₃O₄复合催化剂催化AP的整个分解过程中，起主要作用的是纳米Mn₃O₄，而不是SA。与此同时，随着纳米Mn₃O₄复合催化剂含量从0%增加到4%，高温放热峰变得越来越尖锐，放热越来越集中，表明AP的分解速率随纳米Mn₃O₄复合催化剂含量的升高而增加。从图6b可以看出，AP的分解在244 ℃时，质量没有变化，此时DSC中，AP转晶吸热，由斜方晶系转变为立方晶系；同时，随纳米Mn₃O₄复合催化剂含量增加，完全分解温度提前，这也与DSC中AP的分解速率变化趋势一致，以上现象说明TG与DSC结果是一致的。

参考文献[17,21]与本实验结果，推测纳米Mn₃O₄复合催化剂对AP的热分解机理如下：（1）AP的分解为固‑气多项反应，分解温度的控制步骤是电子从ClO₄^-向NH₄⁺的转移过程。Mn₃O₄作为过渡态金属氧化物，在电子转移过程中起桥梁作用,其低价态的氧化物通过接受ClO₄^-中转移的电子再传递给NH₄⁺,实现空穴的湮没,从而降低AP的分解温度，这与文献[21]的过程是符合的。（2）制备的MA薄膜，在煅烧后原位生成的纳米Mn₃O₄颗粒负载在碳化后的碳骨架上，有效防止了颗粒间的团聚，有大量的活性位点，因此具有较好的催化效果。

a. DSC

b. TG

图6 不同含量纳米Mn₃O₄复合催化剂与AP混合物的DSC和TG曲线

Fig.6 DSC and TG curves for mixtures of AP and nano‑Mn₃O₄ composite catalyst with different contents
4 结论

4

采用离子交换法制备了海藻酸锰薄膜，煅烧后得到了纳米Mn₃O₄复合催化剂，该催化剂对AP有较好的催化效果，具体结论如下：

（1）锰离子能够较好地取代海藻酸钠薄膜中的钠离子，煅烧后生成的纳米Mn₃O₄能够很好地负载在碳化后的碳骨架上，生成纳米Mn₃O₄复合催化剂。

（2）在一定的含量范围内，纳米Mn₃O₄复合催化剂对AP的催化效果随着其含量的增加而增强，并且放热速率明显增加；当含量为3%时，与纯AP相比，分解温度降低89.1 ℃。

（3）该方法经过离子交换后一步煅烧，可以大量、快速制备纳米金属氧化物复合催化剂，对提高AP基固体推进剂的燃烧性能有一定的理论和应用价值。
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基本信息

DOI:10.11943/CJEM2018281

中图分类号: TJ55； O76

文献标识码: A

引用信息

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基金信息

中国工程物理研究院化工材料研究所横向项目（18zh0056）；西南科技大学龙山项目支持（181zx681）