Untersuchung des Koordinationseffekts von GO@MOF-5 als Katalysator bei der thermischen Zersetzung von Ammoniumperchlorat

Einführung

Die Verbrennungsleistung ist ein wichtiger Indikator, um die Leistung eines Festtreibstoffs zu messen. Die thermischen Zersetzungseigenschaften des Ammoniumperchlorats (AP), das oft als starkes Oxidationsmittel verwendet wird, spielen eine wichtige Rolle bei der Verbrennungsleistung der gesamten Treibmittelzusammensetzung. Die Zugabe von Brenngeschwindigkeitsmodifikatoren, die weiter als Katalysator bezeichnet werden, zu der Treibmittelformulierung kann deren Leistung effektiv verbessern[1,2,3]. Insbesondere einige Metalle und ihre Oxide, wie Kupfer [4,5,6,7,8,9], Nickel [10, 11], Zink [12, 13], Kobalt [14, 15] und Kohlenstoff-Nanomaterialien [16 ,17,18].

Metallorganische Gerüstmaterialien (MOFs) werden aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche, hohen Porosität und anderen hervorragenden Eigenschaften häufig in Adsorptions-, Katalyse- und optoelektronischen Geräten verwendet und haben in den letzten Jahren großes Interesse gefunden [19,20,21, 22,23,24]. MOFs werden durch Selbstorganisation von Metallionen oder Metallclustern und organischen Liganden gebildet und im Allgemeinen durch solvothermale Methoden unter milden Bedingungen gebildet, bei denen Herstellungsverfahren wirtschaftlich und weit verbreitet sind. Und diese Art von Materialien haben eine hohe Aktivität bei der Katalyse der Oxidation von Alkanen, Olefinen, Alkoholen und CO, außerdem bieten MOFs eine große Anzahl gleichmäßig verteilter aktiver Zentren für Übergangsmetalle, die während der Treibstoffverbrennung in situ Metalloxide erzeugen und fördern können Brennen [25]. Daher ist es basierend auf den obigen hervorragenden Eigenschaften möglich, das MOF-Material in dem AP-Treibmittelsystem zu verwenden und es als Brenngeschwindigkeitsmodifikator für das AP zu verwenden, um die Verbrennungsleistung des gesamten Treibstoffsystems zu verbessern.

Allerdings ist die offene Skelettstruktur von MOFs ohne starke unspezifische Adsorption und mit schlechter Dispersion. Aus diesem Grund versuchen einige Wissenschaftler, es mit Kohlenstoff-Nanomaterialien zu kombinieren. Kumar fand heraus, dass Hybrid-Nanokomposite aus GO mit ZIF-8 eine abstimmbare nanoskalige Morphologie und Porosität aufweisen und dieser Verbund eine hohe CO₂-Speicherrate aufweist [26]; Jabbari entwickelte hybride Nanokomposite basierend auf Cu-BTC MOF, GO, CNT und Fe₃ O₄ magnetische Nanopartikel über eine einfache grüne Solvothermalmethode, bei der GO und CNT als Plattformen verwendet wurden, um nanostrukturierte Cu-BTC-MOF und Fe₃ . zu beladen O₄ MNPs und die hybriden Nanomaterialien zeigten im Vergleich zu den Ausgangsmaterialien eine verbesserte Schadstoffadsorptionskapazität [27]; Ge Chunhua stellte carboxylreiche Kohlenstoffkugeln (CCSs) und kupferbasierte Metall-organische Gerüste (MOFs) her das homogene Oberflächenwachstum von HKUST-1 auf dem Kern von CCSs [28]. Viele Studien haben gezeigt, dass die reichhaltigen funktionellen Gruppen auf der Oberfläche von GO es zu einer potentiellen Plattform machen, um das Wachstum von MOF zu fördern und seine Dispergierkraft zu verbessern. Gleichzeitig kann die Anwesenheit von GO die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs effektiv verbessern.

In dieser Arbeit wurde ein Komposit aus MOF-5 und GO nach der grünen Solvothermalmethode hergestellt und AP hinzugefügt, um seine katalytische Wirkung auf die thermische Zersetzung von AP zu untersuchen.

Methoden

Materialien

Ammoniumperchlorat (NH₄ .) CIO₄ , AP)-Pulver wurde von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. bezogen. Reagent-grade Zn(NO₃ )₂ ·6H₂ O, 1,4-Benzoldicarbonsäure (H₂ BDC), Ethylalkohol, DMF und Ethylacetat wurden von Tianjin Guangfu Technology Development Co., Ltd. bezogen. GO wurde mit modifizierten Hummern hergestellt.

Vorbereitung von GO

GO wurde nach der verbesserten Hummers-Methode hergestellt [29, 30]. Kurz gesagt, Graphitpulver wurde unter Verwendung von Schwefelsäure, Kaliumpermanganat und Wasserstoffperoxid in einem Wasserbad mit niedriger Temperatur konstanter Temperatur oxidiert. Erhöhte die Temperatur auf 35 °C und setzte die Reaktion für 2 h fort, überführte dann in einen Hochtemperatur-Reaktionstopf und fügte die geeignete Menge an Wasserstoffperoxid und verdünnter Salzsäure hinzu, um die Oxidation fortzusetzen. Schließlich wurde das endgültige Graphenoxid nach neutraler Dialyse, Ultraschall-Strippen, Zentrifugieren und gefriergetrocknet erhalten.

Vorbereitung von MOF-5 und GO@MOF-5

Wie in 1 gezeigt, wurden Zinknitrat-Hexahydrat und Terephthalsäure in 30 ml DMF in einem hochtemperaturbeständigen Reaktor gelöst. Die Reaktionsmischung wurde in einem Ofen 20 h auf 120 °C erhitzt, um große kubische Kristalle von MOF-5 zu ergeben. Das Reaktionsgefäß wurde dann aus dem Ofen entnommen und auf Raumtemperatur abgekühlt. Die kubischen Kristalle wurden wiederholt mit DMF gewaschen und 12 h in Chloroform eingeweicht, filtriert und getrocknet.

Vorbereitung von (GO@) MOF-5

Das zuvor hergestellte GO wurde der Vorläuferlösung von MOF-5 zugesetzt und mit Ultraschall dispergiert, und die restlichen Schritte stimmten mit der Herstellung von MOF-5 überein. Um die Synergie zwischen GO und MOF besser zu untersuchen, wurden 3,5 %, 5 % bzw. 7 % GO-Verhältnisse hinzugefügt und als MGG-3,5 %, MGG-5% und MGG-7% bezeichnet.

Vorbereitung von MOF-5/AP und GO@MOF-5/AP

Stellte MOF-5/AP unter Verwendung der Lösungsmittel-Nicht-Lösungsmittel-Methode her und wählte DMF und Ethylacetat als Lösungsmittel bzw. Nichtlösungsmittel. Zuerst wurde das hergestellte (GO@) MOF-5 zu 100 ml Ethylacetatlösung gegeben und gleichmäßig gerührt. Dann nahm man 10 ml AP-Lösung (gesättigte Lösung von AP aus DMF als Lösungsmittel), tropfte die mit (GO@) MOF-5 gemischte Ethylacetatlösung gleichmäßig zu der AP-Lösung wie hergestellt und rührte gleichmäßig mit ein Magnetrührstäbchen für 20 min. Zum Schluss filtriert und bei 50 ^° . getrocknet C für 12 h, und die Mischungen von (GO@) MOF-5/AP wurden hergestellt.

Charakterisierung

Die Oberflächenmorphologie, die mittlere Größe und die Größenverteilung der hergestellten Proben wurden unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (SEM, SU-8020, Hitachi, Japan) charakterisiert. Mit einem Röntgendiffraktometer DX-2700 (XRD, Dan Dong Hao Yuan Corporation, Liaoning, China) wurde der Elementgehalt von Proben bei einer Spannung von 40 kV und einem Strom von 30 mA mit Cu-Ka-Strahlung analysiert. Die Struktur wurde auch mit einem Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (FTIR-650, Tianjin Gangdong Corporation) analysiert.

Die Brunaure-Emmett-Teller (BET)-Oberfläche der so synthetisierten Proben wurde durch Physisorption von N₂ . bestimmt bei 77 K unter Verwendung eines Belsorp-max-Oberflächendetektors.

Die Proben wurden unter Verwendung des DSC-131-Differentialscanningkalorimeters (France Setaram Corporation, Shanghai, China) analysiert. Die DSC-Bedingungen waren wie folgt:Probenmasse 0,5 mg; Heizrate, 5, 10, 15, 20 °C/min; Stickstoffatmosphäre, 30 ml/min. Mettler Toledo TG Thermoanalysator mit einer Heizrate von 10 °C/min unter Stickstoffatmosphäre.

Fallhammergerät Typ 12 zum Testen der Schlagempfindlichkeit. Die besondere Höhe (H ₅₀ ) stellt die Höhe dar, aus der 2,5 ± 0,002 kg Fallhammer in 50 % der Versuche zu einem explosiven Ereignis führen. Testbedingungen für die Dosis waren 35 ± 1 mg, Temperatur 10~35 °C, relative Luftfeuchtigkeit ≦ 80%.

Ergebnisse und Diskussion

Eigenschaften von MOF-5 und GO@MOF-5

Die Textur der Proben kann auf rasterelektronenmikroskopischen (REM) Bildern beobachtet werden, die in Abb. 2 dargestellt sind. Abbildung 2a zeigt eine Auftragung von AP-Material mit unterschiedlichen Formen mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 100–200 μm. Die Oberfläche des GO weist eine partielle Falte auf und der Rand ist ebenfalls gestuft, was in der Regel eine Schichtstruktur ist. Es ist klar, dass MOF-5 eine regelmäßige kubische Struktur aufweist. Das Vorhandensein von Poren kann bei Vergrößerung beobachtet werden, während GO@MOF-5 die kubische Struktur von MOF-5 bleibt und viele blattförmige GO an der Oberfläche anhaften, was auch darauf hindeutet, dass die Zugabe einer kleinen Menge Kohlenstoffmaterial dies tut keinen Einfluss auf die Morphologie des MOF-Materials

REM-Bilder von (a ) reines AP; (b ) GEHEN; (c ) MOF-5, (d ) GO@MOF-5

Abbildung 3 zeigt die Pulver-Röntgenbeugung (XRD) der synthetisierten Komposite. Aus der Abbildung ist deutlich zu erkennen, dass der breite charakteristische Peak von GO bei 2θ =10,5 ^° zeigt an, dass die Graphitstruktur zerstört wurde und der Zwischenschichtabstand vergrößert wurde, um eine neue Struktur zu bilden. Die Peakposition des MOF-5-Kristalls stimmt im Allgemeinen mit der in der Literatur berichteten überein [25, 31]. Da MOF-5 das Wirtsmaterial ist, nehmen seine strukturellen Eigenschaften eine dominierende Stellung im Verbundmaterial ein. Der Beugungspeak des Verbundmaterials ist aus dem XRD-Muster ersichtlich und stimmt im Wesentlichen mit der Position von MOF-5 überein. Petitet al. [32] berichteten, dass der Peak des Kompositmaterials gespalten war und mit zunehmendem GO immer deutlicher wurde. Es wurde vermutet, dass es an der Anwesenheit von GO liegen könnte, das die Verformung des Materials verstärkte. In dieser Studie kann jedoch fast festgestellt werden, dass es aufgrund des geringen GO-Gehalts keine signifikanten Auswirkungen auf die Struktur des Materials gibt, was mit der Vermutung in der REM-Analyse übereinstimmt.

XRD-Kurven von Proben

Eine energiedispersive Spektroskopie (EDS)-Analyse wurde durchgeführt, um die Komponenten von MOF-5 und GO@MOF-5 zu identifizieren. Abbildung 4a zeigt die Elementarkartierungsbilder der gleichmäßigen Verteilung von C-, O- und Zn-Elementen, was beweist, dass die Skelettfunktion des MOF-Materials die entsprechenden Metallelemente gleichmäßig verteilen und die Agglomeration von Metallpartikeln vermeiden kann. Und die Elementarkartierungsbilder von GO@MOF-5 zeigten auch die gleichmäßige Verteilung der C-, O- und Zn-Elemente. Der Kohlenstoffgehalt ist auf der Oberfläche der Probe deutlicher als bei MOF-5, was darauf hindeutet, dass die GO-Schicht gut an der Oberfläche des MOF-Materials haftet.

EDS-Mapping-Bilder von a MOF-5 und b GO@MOF-5

Abbildung 5 zeigt die FT-IR-Spektren von MOF-5 und GO@MOF-5; das Infrarotspektrum von MOF-5 und seinem Komplex mit Kohlenstoffmaterial ähneln denen, die in der einschlägigen Literatur beschrieben werden [20, 31]. Wie in der Abbildung gezeigt, ist der durch die symmetrische Streckung der Carboxylgruppe im BDC verursachte Peak bei 1386 cm ⁻¹ . zu sehen , und ein asymmetrischer Streckpeak der Carboxylgruppe erscheint bei 1581 cm ⁻¹ . Darüber hinaus ist das Breitband bei 3000–3604 cm ⁻¹ vermuten kann das Vorhandensein von Wasser in der Metallkoordination sein. Nach Zugabe einer kleinen Menge GO blieb die Kristallstruktur des Komposits im Wesentlichen intrinsisch und es gab keine signifikante Veränderung. Es wurde auch bewiesen, dass die Zugabe einer kleinen Menge GO die Eigenschaften von MOF nicht beeinflusst.

FT-IR-Spektren von MOF-5 und GO@MOF-5

Die Poreneigenschaften der Proben wurden aus den Stickstoffadsorptionsisothermen bestimmt, die in Abb. 6 dargestellt sind. Die Isotherme (Abb. 6a) zeigt, dass die MOF-Proben ein typisches Typ-I-Sorptionsverhalten zeigen. Abgeleitet von N₂ Adsorptionsdaten ist die Brunauer-Emmett-Teller-Oberfläche von MOF-5 höher als die von GO@MOF-5, über die auch Petit berichtet wurde [32]. Wenn der GO-Gehalt weniger als 10 % beträgt, nimmt die spezifische Oberfläche in Bezug auf das MOF-5-Rohmaterial ab, was auf die Verstopfung einiger kleiner Poren zurückzuführen sein kann, wenn das GO mit dem MOF kombiniert wird, was zu a Rückgang der BET. Und es zeigte auch, dass die Rolle von GO im AP-Komposit hauptsächlich von seiner ausgezeichneten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit abhängt. Aus Fig. 6b ist ersichtlich, dass die Porengrößenverteilung von MOF-5 und seinen Kompositen weniger als 2 nm beträgt, was beweist, dass beide Materialien zur mikroporösen Struktur gehören und hauptsächlich auf etwa 1 nm konzentriert sind. Spezifische relevante Parameter sind in Tabelle 1 klar aufgelistet.

a Stickstoffadsorptionsisothermen und b inkrementelle Porenvolumenkurven von MOF-5 und GO@MOF-5

Einfluss von MOF-5 und GO@MOF-5 auf die thermische Zersetzung von AP

Thermische Analyse reiner AP-Partikel

Die DSC-Kurven von reinem AP sind in Abb. 7 dargestellt. Die thermische Zersetzung von AP ist ein kontinuierlicher und komplexer Reaktionsprozess [4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18]. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Kurve einen deutlich nach unten gerichteten endothermen Peak bei 245 °C aufweist, der der endotherme Peak des Kristallübergangs von AP ist. Zu diesem Zeitpunkt änderte sich das AP-Partikel von orthorhombisch zu kubisch, und der Prozess wird von endothermen begleitet. Dann gibt es zwei nach oben gerichtete exotherme Peaks, die Niedertemperatur-Zersetzungspeaks (LTD) bei 311,8 ^° . sind C und Hochtemperatur-Zersetzungspeak (HTD) bei 409,7 °C. Die Zersetzung bei niedriger Temperatur wird normalerweise von Dissoziations- und Sublimationsvorgängen begleitet, hauptsächlich Festphasenreaktionen und in geringem Umfang Gasphasenreaktionen [3]. Während der Zersetzung bei niedriger Temperatur beginnt AP sich zu zersetzen und bildet oxidative Zwischenprodukte wie ClO, ClO₃ , O₂ , und H₂ O und ein Teil von O₂ kann in Superoxid-Ionen (O₂ .) umgewandelt werden ⁻ ), das zur Oxidation von NH₃ . beiträgt , während nichtoxidierter Überschuss an NH₃ wird am AP-Kristall haften, was die thermische Zersetzung von AP behindert, und der Niedertemperatur-Zersetzungsprozess endet. Wenn die Temperatur allmählich ansteigt, wird das überschüssige NH₃ desorbiert, und die potentiellen Reaktionszentren auf der Oberfläche des AP-Kristalls werden reaktiviert und treten in die Hochtemperatur-Zersetzungsstufe ein, die von der Gasphasenreaktion dominiert wird, bis das AP vollständig zersetzt ist. Die TG-Kurve von reinem AP zeigt auch, dass AP während der thermischen Zersetzung zwei Gewichtsverluststufen erfuhr, was zu einem Massenverlust von 22 % bzw. 78 % führte, was die Freisetzung von gasförmigen Produkten entsprechend den beiden Zersetzungsstufen zeigt.

a DSC-Kurven und b TG-Kurven von AP-Verbundproben (10 °C/min, N₂ .) Atmosphäre)

Thermische Analyse von AP/(GO@)MOF-5-Verbundwerkstoffen

Aus Abb. 7a ist ersichtlich, dass die beiden exothermen Zersetzungspeaks des AP-Komplexes nach Zugabe des (GO@) MOF-Materials deutlich vorgerückt sind, während der erste endotherme Peak an derselben Position wie der von reinem AP erschien, was zeigt:dass die Katalysatoren keinen Einfluss auf die Kristallübergangstemperatur haben. Nach der Zugabe von GO wird die Pyrolysestufe vorangetrieben, hauptsächlich aufgrund der ausgezeichneten Wärmeübertragungsleistung von GO und der hohen Elektronenbeweglichkeit, die während des Elektronentransfers gezeigt wird. Und die beiden Zersetzungspeaktemperaturen von AP/MOF-5 wurden auf 288,1 °C und 322,5 ^° . erhöht C, während die Zersetzungspeaktemperatur von AP/GO@MOF-5 auf 293,9 ^° . angehoben wurde C und 321,9 ^° C, und die HTD-Peaks der beiden Verbundmaterialien betrugen fast 87 ^° C vor dem AP-Rohmaterial, was eine offensichtlich katalytische Wirkung auf die thermische Zersetzung von AP anzeigt. Gleichzeitig ist aus den TG-Kurven von Fig. 7b ersichtlich, dass der Prozentsatz der ersten Gewichtsverlustphase des AP-Verbundmaterials mit (GO@) MOF-Material signifikant angestiegen ist, was darauf hindeutet, dass die thermische Zersetzungsstufe nach a . verschoben wurde niedrigere Temperatur, was sich auch in den DSC-Kurven widerspiegelt. Aus dem DSC-Diagramm ist auch deutlich zu erkennen, dass die LTD-Stufe offensichtlicher ist als die HTD und die Peakfläche größer ist, was darauf hinweist, dass die HTD-Stufe fast gleichzeitig mit der LTD-Stufe stattfindet.

Um die katalytische Wirkung von (GO@) MOF-Kompositen auf AP besser zu untersuchen, wurde die Kissinger-Methode verwendet, um die relevanten kinetischen Parameter aus den thermischen Daten zu bestimmen und die katalytische Wirkung weiter zu demonstrieren. Die Aktivierungsenergie (Ea) wurde durch Testen von Peaks von DSC-Kurven bei verschiedenen Heizraten berechnet. Der präexponentielle Faktor (A) kann unter der Annahme erhalten werden, dass die Zerlegung einer Kinetik erster Ordnung folgt [3, 14]. Die DSC-Kurven von AP/MOF-5 und AP/GO@MOF-5 bei unterschiedlichen Heizraten von 5 ^° C bis 20 ^° C sind in Fig. 8a bzw. b gezeigt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die LTD- und HTD-Peaks der Proben alle auf höhere Temperaturen übertragen werden, indem die Heizrate von 5 auf 20 ^° . geändert wird C/min, was auch darauf hinweist, dass die Heizrate auch einen Einfluss auf den Zersetzungsprozess hat, da die Probe bei unterschiedlichen Heizraten eine Hysterese zur Temperatur aufweist. Die Beziehung zwischen Zersetzungstemperatur und Aufheizgeschwindigkeit kann durch die Kissinger-Korrelation beschrieben werden [33].

Die Auswirkung der Heizrate auf die DSC-Ergebnisse von a AP/MOF-5 und b AP/GO@MOF-5 (N₂ Atmosphäre)

In dieser Gleichung ist β, T _m , R , A , und E _a sind die Heizrate/ ^° C min ⁻¹ , Temperatur/K, ideale Gaskonstante, Vorfaktor und Aktivierungsenergie/kJ mol ⁻¹ , bzw. E _a kann aus der Steigung der linearen Beziehung zwischen ln(β/T _m ² ) und 1/T _m . Abbildung 9 zeigt die lineare Anpassung von ln(β/T _m ² ) und 1/T _m von AP/MOF-5 und AP/GO@MOF-5, was zeigt, dass die thermische Zersetzung dieser Proben dem kinetischen Gesetz erster Ordnung folgt und speziell berechnet wird. Die Daten sind in Abb. 10 gezeigt. Die Enthalpie der AP Verbindung hat einen signifikanten Anstieg von 576 J g ⁻¹ bis 815,9 J g ⁻¹ und 1011 J g ⁻¹ nach dem Hinzufügen des (GO@) MOF-Materials und des E _a Abnahme von 143,8 kJ mol ⁻¹ bis 139,6 kJ mol ⁻¹ und 84,6 kJ mol ⁻¹ entsprechend, was auf die Thermodynamik einiger Metalloxide oder -chloride zurückzuführen sein kann, die während des katalytischen Prozesses gebildet werden, ist instabil, was die E . verringert _a der thermischen Zersetzung von AP.

Anpassungsergebnisse von ln(β/T_p ² ) und 1/T_p von a AP/MOF-5 und b AP/GO@MOF-5

Schlagempfindlichkeit von Proben

Um gleichzeitig die Rolle von GO im AP-Verbund besser beweisen zu können, ist die spezielle Höhe (H ₅₀ ) der AP-basierten Verbundproben getestet, und die Testergebnisse sind in Abb. 10 dargestellt. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die Probe mit dem GO@MOF-Material den höchsten Wert von H ₅₀ , was bedeutet, dass seine Empfindlichkeit geringer ist als bei anderen Proben, was darauf hindeutet, dass die Zugabe von GO seine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit effektiv ausübt und die lokale Hitze lindert, die zur Bildung von „Hot Spots“ führen kann, und es verbessert die Stabilität und Sicherheit des ganzes System. Darüber hinaus wurde mit der Erhöhung des GO-Gehalts auch die Stabilität des Systems dezent verbessert, was die Wirkung von GO ebenfalls bestätigt.

Aus den obigen Ergebnissen ist klar, dass (GO@) MOF den thermischen Zersetzungsprozess von AP, insbesondere die Hochtemperaturzersetzung und Enthalpie, signifikant fördern kann. Die Anwesenheit von Ammoniak und Chlor ist oft der Hauptgrund für die Verzögerung der thermischen Zersetzung von AP, nämlich der Zersetzung von Perchlorsäure und der Oxidation von Ammoniak [3]. Das MOF-Material kann gasförmige Ammoniakmoleküle effektiv adsorbieren, verhindern, dass es an der Oberfläche des AP-Kristalls adsorbiert, um die Zersetzungsreaktion zu fördern und die Zersetzungsspitzentemperatur zu senken. Gleichzeitig befindet sich, wie in Fig. 11 gezeigt, das MOF-beladene Zn in einem ungesättigten Zustand, und es ist leicht, Substanzen mit überschüssigen Elektronen zu adsorbieren, insbesondere leicht die N-X-Bindung zu brechen, was zu einem Anstieg von ΔH führt. Und es reagiert auch leicht mit Stickoxiden, die durch AP-Zersetzung erzeugt werden, was eine schnelle Zersetzungsreaktion auslösen kann. Außerdem kann das Übergangsmetallion auch die Umwandlung von O ² . beschleunigen produziert durch die Zersetzung von HCIO₄ in Superoxid-Ionen (O₂ ⁻ ), trägt zur Oxidation von NH₃ . bei . Im gesamten thermischen Zersetzungsprozess von AP nutzt GO hauptsächlich seine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit und reduziert effektiv die Bildung von Hot Spots, wodurch die Empfindlichkeit verringert und die Systemstabilität verbessert wird.

Mechanismusdiagramm der thermischen Zersetzung von AP/(GO@)MOF

Darüber hinaus wurde versucht, das Verhältnis von MOF-Materialien und den Anteil von GO in GO@MOF-Kompositen zu verändern. Die spezifischen DSC-Kurven und zugehörige Daten sind in Abb. 12 und Tabelle 2 dargestellt. Um verschiedene Proben besser und einfacher unterscheiden zu können, wird AP/MOF-5 mit 3% und 10% MOF als AP/MG-3 bezeichnet, AP /MG-10 bzw. MOF macht 5 % aus, während GO 3,5 %, 5 % und 7 % ausmacht und als AP/MGG-3,5 %, AP/MGG-5% und AP/MGG-7% abgekürzt wird. Aus den DSC-Kurven von Fig. 9 ist ersichtlich, dass bei einem GO-Gehalt von 3,5 % und einem Anteil von GO@MOF im AP-Verbundstoff von 5 % die beiden Zersetzungspeaktemperaturen am weitesten fortgeschritten sind und der entsprechende katalytische Effekt auch optimal (Abb. 13).

DSC-Kurven verschiedener Probenanteile (10 °C/min, N_{2 .)} Atmosphäre)

Thermodynamische Parameter verschiedener Probenanteile

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurden AP/(GO@)-MOF-Komposite hergestellt und ihre katalytischen Wirkungen auf die thermische Zersetzung von AP untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass GO@MOF-Komposite einen signifikanten katalytischen Effekt auf die thermische Zersetzung von AP haben und nicht nur die HTD von AP deutlich erhöht, sondern auch der ΔH effektiv erhöht und die Aktivierungsenergie der Reaktion gesenkt wird. Unter diesen hat der AP-Komplex die beste katalytische Wirkung, wenn der GO-Gehalt 3,5% beträgt und der Gesamtgehalt von GO@MOF-5 5% beträgt. Dies ist hauptsächlich auf die große spezifische Oberfläche des MOF-Materials zurückzuführen, das reaktivere Zentren und seine starke Adsorption bietet, sowie auf den großen Vorteil von GO bei der Wärmeleitung und beim Elektronentransfer, der den thermischen Zersetzungsprozess von AP synergistisch beschleunigt. Darüber hinaus bietet diese Studie experimentelle und theoretische Unterstützung für die Anwendung von MOF- und GO-Verbundwerkstoffen bei der thermischen AP-Zersetzung.

Abkürzungen

AP:

Ammoniumperchlorat

WET:

Brunauer-Emmett-Teller

CCSs:

Carboxylreiche Kohlenstoffkugeln

CNT:

Kohlenstoff-Nanoröhrchen

DSC-TG:

Differenzkalorimetrie und Thermogravimetrie

E a:

Aktivierungsenergie

EDS:

Energiedispersive Spektroskopie

FT-IR:

Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer;

GO:

Graphenoxid

H2BDC:

1,4-Benzoldicarbonsäure

HTD:

Hochtemperaturzersetzung

LTD:

Niedertemperaturzersetzung

MOF-5:

Zn4O(Benzol-1,4-dicarboxylat)3

MOFs:

Metallorganische Gerüste

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

XRD:

Röntgenbeugung

ΔH:

Enthalpie