Verbesserte thermische Zersetzung von Ammoniumperchlorat mittels GO@MOF‑5 Kompositkatalysatoren

Zusammenfassung

Kompositmaterialien basierend auf [Zn₄O(benzol-1,4-dicarboxylat)₃] (MOF-5) und Graphenoxid (GO) wurden via einer einfachen grünen solvothermalen Methode hergestellt, wobei GO als Plattform zur Beladung von MOF-5 diente, und auf die thermische Zersetzung von AP angewendet. Die erhaltenen Komposite wurden durch verschiedene Techniken wie Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgenbeugung (XRD), Stickstoffadsorption, Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FT-IR), Differenzielle Scanning-Kalorimetrie und Thermogravimetrie (DSC-TG) charakterisiert. Die Analysen bestätigten, dass das Kompositmaterial (GO@) MOF-5 nicht nur die Zersetzungsspitzentemperatur von AP von ursprünglich 409,7 °C auf 321,9 °C verbessern kann, sondern auch den Enthalpiewert (ΔH) von 576 J g⁻¹ auf 1011 J g⁻¹ steigern und die Aktivierungsenergie (E_a) reduzieren kann, wodurch die Zersetzungsreaktion beschleunigt wird. Die hohe spezifische Oberfläche des MOF-Materials kann eine große Anzahl aktiver Stellen bereitstellen, sodass die darauf unterstützten Übergangsmetallionen effektiver am Elektronentransferprozess teilnehmen können, und GO spielt seine Rolle als Brücke durch seine effiziente thermische und elektrische Leitfähigkeit. Zusammen beschleunigen sie den thermischen Zersetzungsprozess von AP.

Einleitung

Brennleistung ist ein wichtiger Indikator zur Messung der Leistung eines Festtreibstoffs. Die thermischen Zersetzungseigenschaften des Ammoniumperchlorats (AP), das oft als starkes Oxidationsmittel verwendet wird, spielen eine wichtige Rolle in der Brennleistung der gesamten Treibstoffzusammensetzung. Das Hinzufügen von Brennratemodifikatoren, die im Folgenden als Katalysator bezeichnet werden, zur Treibstoffformulierung kann deren Leistung effektiv verbessern [1,2,3]. Besonders einige Metalle und ihre Oxide, wie Kupfer [4,5,6,7,8,9], Nickel [10, 11], Zink [12, 13], Kobalt [14, 15] und Kohlenstoffnanomaterialien [16,17,18].

Metall-organische Gerüstverbindungen (MOFs) werden aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche, hoher Porosität und anderer hervorragender Eigenschaften breit in Adsorption, Katalyse und optoelektronischen Geräten eingesetzt und haben in den letzten Jahren großes Interesse geweckt [19,20,21,22,23,24]. MOFs werden durch Selbstassembly von Metallionen oder Metallclustern und organischen Liganden gebildet und allgemein durch solvothermale Methoden unter milden Bedingungen hergestellt, wobei der Herstellungsprozess ökonomisch und weit verbreitet ist. Und diese Art von Materialien hat hohe Aktivität in der Katalyse der Oxidation von Alkanen, Olefinen, Alkoholen und CO, außerdem bieten MOFs eine große Anzahl gleichmäßig verteilter aktiver Stellen für Übergangsmetalle, die während der Treibstoffverbrennung Metalloxide in situ erzeugen und das Brennen fördern können [25]. Daher ist es basierend auf den oben genannten hervorragenden Eigenschaften möglich, das MOF-Material im AP-Treibstoffsystem zu verwenden und es als Brennratemodifikator für AP einzusetzen, um die Verbrennungsleistung des gesamten Treibstoffsystems zu verbessern.

Jedoch hat das offene Skelettstruktur von MOFs ohne starke unspezifische Adsorption und mit schlechter Dispersion. Aus diesem Grund versuchen einige Wissenschaftler, es mit Kohlenstoffnanomaterialien zu kombinieren. Kumar fand, dass hybride Nanokomposite von GO mit ZIF-8 einstellbare nanoskalige Morphologie und Porosität aufwiesen, und dieses Komposit hat eine hohe CO₂-Speicherrate [26]; Jabbari entwickelte hybride Nanokomposite basierend auf Cu-BTC MOF, GO, CNT und Fe₃O₄ magnetischen Nanopartikeln via einer einfachen grünen solvothermalen Methode, wobei GO und CNT als Plattformen zur Beladung von nanostrukturiertem Cu-BTC MOF und Fe₃O₄ MNPs dienten und die hybriden Nanomaterialien eine verbesserte Schadstoffadsorptionskapazität im Vergleich zu den Ausgangsmaterialien zeigten [27]; Ge Chunhua herstellte carboxyl-reiche Kohlenstoffsphären (CCSs) und kupferbasierte metall-organische Gerüstverbindungen (MOFs), und es wurde offengelegt, dass carboxyl-reiche Gruppen der CCSs die Verbindung mit dem Cu-Ion in MOF substanziell verbessern könnten und für das homogene Oberflächenwachstum von HKUST-1 auf dem Kern der CCSs vorteilhaft sind [28]. Viele Studien haben gezeigt, dass die reichen Funktionsgruppen auf der Oberfläche von GO es zu einer potenziellen Plattform machen, um das Wachstum von MOF zu fördern und seine Dispergierkraft zu erhöhen. Gleichzeitig kann das Vorhandensein von GO die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Komposits effektiv verbessern.

In dieser Arbeit wurde ein Komposit aus MOF-5 und GO durch die grüne solvothermale Methode hergestellt und zu AP hinzugefügt, um seinen katalytischen Effekt auf die thermische Zersetzung von AP zu untersuchen.

Methoden

Materialien

Ammoniumperchlorat (NH₄ClO₄, AP) Pulver wurde von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. gekauft. Reagenzgrad Zn(NO₃)₂·6H₂O, 1,4-Benzenedicarbonsäure (H₂BDC), Ethanol, DMF und Ethylacetat wurden von Tianjin Guangfu Technology Development Co., Ltd. bezogen. GO wurde mit modifiziertem Hummers-Verfahren hergestellt.

Herstellung von GO

GO wurde mit dem verbesserten Hummers-Verfahren [29, 30] hergestellt. Kurz gesagt, Graphitpulver wurde mit Schwefelsäure, Kaliumpermanganat und Wasserstoffperoxid bei niedriger Temperatur in einem Konstanttemperatur-Wasserbad oxidiert. Die Temperatur wurde auf 35 °C erhöht und die Reaktion 2 h fortgesetzt, dann in einen Hochtemperatur-Reaktionstopf überführt und die entsprechende Menge Wasserstoffperoxid und verdünnte Salzsäure zur fortgesetzten Oxidation hinzugefügt. Schließlich wurde das endgültige Graphenoxid nach Dialyse auf neutral, Ultraschallabschälen, Zentrifugieren und Gefriertrocknen erhalten.

Herstellung von MOF-5 und GO@MOF-5

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

Das zuvor hergestellte GO wurde der Vorläuferlösung von MOF-5 zugegeben und ultraschall dispergiert, und die verbleibenden Schritte entsprachen der Herstellung von MOF-5. Um die Synergie zwischen GO und MOF besser zu erforschen, wurden 3,5 %, 5 % und 7 % GO-Verhältnisse jeweils hinzugefügt und als MGG-3,5 %, MGG-5 % und MGG-7 % bezeichnet.

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

MOF-5/AP wurde mit der Lösungsmittel-Nichtlösungsmittel-Methode hergestellt und DMF und Ethylacetat als Lösungsmittel und Nichtlösungsmittel gewählt. Zunächst wurde das hergestellte (GO@) MOF-5 zu 100 mL Ethylacetatlösung gegeben und gleichmäßig gerührt. Dann wurden 10 mL der hergestellten AP-Lösung (gesättigte AP-Lösung mit DMF als Lösungsmittel) genommen, die Ethylacetatlösung gemischt mit (GO@) MOF-5 wurde gleichmäßig in die hergestellte AP-Lösung getropft und 20 min mit einem Magnetrührer gleichmäßig gerührt. Schließlich wurde filtriert und bei 50 °C für 12 h getrocknet, und die Mischungen von (GO@) MOF-5/AP wurden hergestellt.

Charakterisierung

Die Oberflächenmorphologie, mittlere Größe und Größenverteilung der hergestellten Proben wurden mit Rasterelektronenmikroskopie (REM, SU-8020, Hitachi, Japan) charakterisiert. Ein DX-2700 Röntgendiffraktometer (XRD, Dan Dong Hao Yuan Corporation, Liaoning, China) wurde verwendet, um den Elementgehalt der Proben bei einer Spannung von 40 kV und einem Strom von 30 mA mit Cu-Kα-Strahlung zu analysieren. Die Struktur wurde auch mit einem Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (FTIR-650, Tianjin Gangdong Corporation) analysiert.

Die Brunauer-Emmett-Teller (BET) spezifische Oberfläche der synthetisierten Proben wurde durch Physiorption von N₂ bei 77 K mit einem Belsorp-max Oberflächenmessgerät bestimmt.

Die Proben wurden mit dem DSC-131 Differenzialscanning-Kalorimeter (France Setaram Corporation, Shanghai, China) analysiert. Die DSC-Bedingungen waren: Probenmasse 0,5 mg; Heizrate 5, 10, 15, 20 °C/min; Stickstoffatmosphäre 30 mL/min. Mettler Toledo TG Thermanalysegerät bei einer Heizrate von 10 °C/min unter Stickstoffatmosphäre.

Empfindlichkeitstyp 12 Fallhammerapparat zum Testen der Stoßempfindlichkeit. Die spezielle Höhe (H₅₀) repräsentiert die Höhe, aus der ein 2,5 ± 0,002 kg Fallhammer in 50 % der Versuche ein explosives Ereignis ergibt. 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 Rasterelektronenmikroskopie-(REM)-Bildern in Abb. 2 beobachtet werden. Abbildung 2a zeigte ein Bild von AP-Material mit verschiedenen Formen, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 100–200 µm. Die Oberfläche des GO hat eine teilweise Faltenstruktur, und der Rand ist auch gestuft, was allgemein eine geschichtete Struktur ist. Es ist klar, dass MOF-5 eine regelmäßige kubische Struktur aufweist. Die Anwesenheit von Poren kann bei Vergrößerung beobachtet werden, während GO@MOF-5 die kubische Struktur von MOF-5 beibehält und mit vielen blattförmigen GO an der Oberfläche befestigt ist, was auch anzeigt, dass die Zugabe einer kleinen Menge Kohlenstoffmaterial die Morphologie des MOF-Materials nicht beeinflusst.

Abbildung 3 zeigte die Pulver-Röntgenbeugung (XRD) der synthetisierten Komposite. Es kann klar aus der Abbildung gesehen werden, dass der breite charakteristische Peak von GO bei 2θ = 10,5° anzeigt, dass die Graphitstruktur zerstört wurde und der Schichtabstand vergrößert wurde, um eine neue Struktur zu bilden. Die Peakposition des MOF-5-Kristalls ist allgemein konsistent mit der in der Literatur berichteten [25, 31]. Da MOF-5 das Wirtsmaterial ist, nehmen seine strukturellen Merkmale eine dominierende Position im Kompositmaterial ein. Der Beugungspeak des Kompositmaterials kann aus dem XRD-Muster gesehen werden und stimmt im Wesentlichen mit der Position von MOF-5 überein. Petit et al. [32] berichteten, dass der Peak des Kompositmaterials aufgespalten wurde und mit der Zunahme von GO immer offensichtlicher wurde. Es wurde vermutet, dass dies auf das Vorhandensein von GO zurückzuführen sein könnte, was die Verformung des Materials erhöht. In dieser Studie kann jedoch fast bestimmt werden, dass es keinen signifikanten Einfluss auf die Struktur des Materials aufgrund des geringen GO-Gehalts gibt, was mit der Vermutung in der REM-Analyse konsistent ist.

Energiedispersive Spektroskopie (EDS) Analyse wurde durchgeführt, um die Komponenten von MOF-5 und GO@MOF-5 zu identifizieren. Abbildung 4a zeigte die elementaren Mapping-Bilder 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 elementaren Mapping-Bilder von GO@MOF-5 zeigten auch die gleichmäßige Verteilung von C, O und Zn Elementen. Der Kohlenstoffgehalt ist auf der Oberfläche des Proben stärker ausgeprägt als bei MOF-5, was anzeigt, dass die GO-Schicht gut an der Oberfläche des MOF-Materials haftet.

Abbildung 5 zeigte die FT-IR-Spektren von MOF-5 und GO@MOF-5; das Infrarotspektrum von MOF-5 und seinem Komplex mit Kohlenstoffmaterial sind denen in verwandter Literatur [20, 31] ähnlich. Wie in der Abbildung gezeigt, kann der durch symmetrisches Strecken der Carboxylgruppe in BDC verursachte Peak bei 1386 cm⁻¹ gesehen werden, und ein asymmetrisches Streckenpeak der Carboxylgruppe erscheint bei 1581 cm⁻¹. Zusätzlich wird das Breitband bei 3000–3604 cm⁻¹ vermutet, dass es auf das Vorhandensein von Wasser in der Metallkoordination zurückzuführen sein könnte. Nach Hinzufügen einer kleinen Menge GO blieb die Kristallstruktur des Komposits im Wesentlichen intrinsisch, und es gab keine signifikante Änderung. Es wurde auch bewiesen, dass die Zugabe einer kleinen Menge GO die Eigenschaften des MOF nicht beeinflusste.

Die Poreneigenschaften der Proben wurden aus den Stickstoffadsorptionsisothermen bestimmt, die in Abb. 6 gezeigt sind. Die Isotherme (Abb. 6a) zeigt, dass die MOF-Proben typisches Typ-I-Sorptionsverhalten aufweisen. Aus den N₂-Adsorptionsdaten abgeleitet, ist die Brunauer-Emmett-Teller-Oberfläche von MOF-5 höher als die von GO@MOF-5, was auch von Petit [32] berichtet wurde. Wenn der GO-Gehalt weniger als 10 % beträgt, wird die spezifische Oberfläche im Vergleich zum MOF-5-Rohmaterial abnehmen, was auf die Blockade einiger kleiner Poren zurückzuführen sein kann, wenn GO mit dem MOF kombiniert wird, was zu einem Rückgang der BET führt. Und es wurde auch angezeigt, dass die Rolle von GO im AP-Komposit hauptsächlich von seiner hervorragenden thermischen und elektrischen Leitfähigkeit abhängen mag. Aus Abb. 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 bei etwa 1 nm konzentriert sind. Spezifische relevante Parameter sind deutlich in Tabelle 1 aufgeführt.

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

Thermanalyse von reinen AP-Partikeln

Die DSC-Kurven von reinem AP sind in Abb. 7 gezeigt. 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 deutlichen endothermen Peak bei 245 °C aufweist, der der endotherme Peak des Kristallübergangs von AP ist. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich das AP-Partikel von orthorhombisch zu kubisch, und der Prozess wird von Endothermie begleitet. Dann wird es zwei exotherme Peaks nach oben geben, die niedrigtemperatur-Zersetzungsspitze (LTD) bei 311,8 °C und die hochtemperatur-Zersetzungsspitze (HTD) bei 409,7 °C. Die niedrigtemperatur-Zersetzung wird normalerweise von Dissoziations- und Sublimationsprozessen begleitet, hauptsächlich Festphasenreaktionen und einer kleinen Menge Gasphasenreaktion [3]. Während der Niedrigtemperatur-Zersetzung beginnt AP sich zu zersetzen und oxidative Zwischenprodukte wie ClO, ClO₃, O₂ und H₂O zu bilden, und ein Teil von O₂ kann in Superoxidion (O₂⁻) umgewandelt werden, was zur Oxidation von NH₃ beitragen wird, während unoxidiertes überschüssiges NH₃ an AP-Kristall haften wird, was die thermische Zersetzung von AP behindert, und der Niedrigtemperatur-Zersetzungsprozess endet. Mit allmählicher Temperaturerhöhung desorbiert das überschüssige NH₃, und die potenziellen Reaktionszentren auf der Oberfläche des AP-Kristalls werden reaktiviert, tritt in die hochtemperatur-Zersetzungsphase ein, dominiert von Gasphasenreaktion, bis AP vollständig zersetzt ist. Die TG-Kurve von reinem AP zeigt auch an, dass AP während der thermischen Zersetzung zwei Gewichtsverluststufen erfährt, was zu Massenverlusten von 22 % und 78 % führt, was die Freisetzung gasförmiger Produkte entsprechend den beiden Zersetzungsstufen demonstriert.

Thermanalyse von AP/(GO@)MOF-5 Kompositen

Aus Abb. 7a ist ersichtlich, dass die beiden exothermen Zersetzungsspitzen des AP-Komplexes nach Zugabe des (GO@) MOF-Materials signifikant vorverlagert werden, während der erste endotherme Peak an derselben Position wie bei reinem AP erscheint, was zeigt, dass die Katalysatoren keinen Einfluss auf die Kristallübergangstemperatur haben. Nach Zugabe von GO wird die Pyrolysephase vorverlagert, hauptsächlich aufgrund der hervorragenden Wärmeübertragungsleistung von GO und der hohen Elektronenbeweglichkeit, die während des Elektronentransfers auftritt. Und die beiden Zersetzungsspitzentemperaturen von AP/MOF-5 wurden auf 288,1 °C und 322,5 °C vorverlagert, während die Zersetzungsspitzentemperatur von AP/GO@MOF-5 auf 293,9 °C und 321,9 °C vorverlagert wurde, und die HTD-Peaks der beiden Kompositmaterialien waren fast 87 °C vor dem AP-Rohmaterial, was einen offensichtlich katalytischen Effekt auf die thermische Zersetzung von AP anzeigt. Gleichzeitig kann aus den TG-Kurven von Abb. 7b gesehen werden, dass der Prozentsatz der ersten Gewichtsverlustphase des AP-Komposits mit (GO@) MOF-Material signifikant zunahm, was anzeigt, dass die thermische Zersetzungsstufe auf eine niedrigere Temperatur verschoben wurde, was auch durch die DSC-Kurven reflektiert wird. Es kann auch deutlich aus dem DSC-Diagramm gesehen werden, dass die LTD-Stufe offensichtlicher ist als die HTD und der Peakbereich größer ist, was anzeigt, dass die HTD-Stufe fast gleichzeitig mit der LTD-Stufe ist.

Um den katalytischen Effekt von (GO@) MOF-Kompositen auf AP besser zu erforschen, wurde die Kissinger-Methode verwendet, um die relevanten kinetischen Parameter aus den thermischen Daten zu bestimmen und den katalytischen Effekt weiter zu demonstrieren. Die Aktivierungsenergie (Ea) wurde durch Testen der Peaks der DSC-Kurven bei verschiedenen Heizraten berechnet. Der Präexponentialfaktor (A) kann unter der Annahme erhalten werden, dass die Zersetzung der ersten Ordnungskinetik folgt [3, 14]. Die DSC-Kurven von AP/MOF-5 und AP/GO@MOF-5 bei verschiedenen Heizraten von 5 °C bis 20 °C sind in Abb. 8a, b gezeigt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die LTD- und HTD-Peaks der Proben alle auf höhere Temperaturen verschoben werden, indem die Heizrate von 5 auf 20 °C/min geändert wird, was auch anzeigt, dass die Heizrate auch einen Effekt auf den Zersetzungsprozess hat, weil das Probenmaterial Hysterese zur Temperatur bei verschiedenen Heizraten aufweist. Die Beziehung zwischen Zersetzungstemperatur und Heizrate kann durch die Kissinger-Korrelation [33] beschrieben werden.

In dieser Gleichung sind β, T_m, R, A und E_a die Heizrate/°C min⁻¹, Temperatur/K, ideale Gaskonstante, Vorfaktor und Aktivierungsenergie/kJ mol⁻¹. E_a kann aus der Steigung der linearen Beziehung zwischen ln(β/T_m²) und 1/T_m berechnet werden. Abbildung 9 zeigte die lineare Anpassung von ln(β/T_m²) und 1/T_m von AP/MOF-5 und AP/GO@MOF-5, was demonstriert, dass die thermische Zersetzung dieser Proben dem ersten Ordnungskinetikgesetz folgt und spezifisch berechnet wird, und die Daten sind in Abb. 10 gezeigt. Der Enthalpiewert der AP-Verbindung hat eine signifikante Erhöhung von 576 J g⁻¹ auf 815,9 J g⁻¹ und 1011 J g⁻¹ nach Zugabe des (GO@) MOF-Materials und die E_a verringert sich von 143,8 kJ mol⁻¹ auf 139,6 kJ mol⁻¹ und 84,6 kJ mol⁻¹ entsprechend, was auf die Thermodynamik einiger Metalloxide oder Chloride zurückzuführen sein mag, die während des katalytischen Prozesses gebildet werden und instabil sind, was die E_a der AP-thermischen Zersetzung reduziert.

Gleichzeitig, um die Rolle von GO im AP-Komposit besser zu beweisen, wurde die spezielle Höhe (H₅₀) der AP-basierten Kompositproben getestet, und die Testergebnisse sind in Abb. 10 gezeigt. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass das Probenmaterial mit GO@MOF den höchsten Wert von H₅₀ hat, was bedeutet, dass seine Empfindlichkeit niedriger ist als bei anderen Proben, was anzeigt, dass die Zugabe von GO effektiv seine hervorragende thermische Leitfähigkeit ausübt und die lokale Wärme mildert, die zur Erzeugung von „Hot Spots“ führen könnte, und es verbessert die Stabilität und Sicherheit des gesamten Systems. Zusätzlich hat sich mit der Zunahme des GO-Gehalts die Stabilität des Systems auch subtil verbessert, was auch den Effekt von GO bestätigt.

Aus den obigen Ergebnissen ist klar, dass (GO@) MOF den thermischen Zersetzungsprozess von AP signifikant fördern kann, besonders die hochtemperatur-Zersetzung und Enthalpie. Das Vorhandensein von Ammoniak und Chlor ist oft der Hauptgrund für die Verzögerung der thermischen Zersetzung von AP, nämlich die Zersetzung von Perchlorsäure und die 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 sennen. Gleichzeitig, wie in Abb. 11 gezeigt, ist das MOF-beladene Zn in einem ungesättigten Zustand und es ist leicht, Substanzen mit überschüssigen Elektronen zu adsorbieren, besonders leicht, die N-X-Bindung zu brechen, was zu einer Erhöhung von ΔH führt. Und es reagiert auch leicht mit Stickoxiden, die durch AP-Zersetzung erzeugt werden, was die schnelle Zersetzungsreaktion anregen kann. Darüber hinaus kann das Übergangsmetallion auch die Umwandlung von O₂, das durch die Zersetzung von HClO₄ produziert wird, in Superoxidion (O₂⁻) beschleunigen, was zur Oxidation von NH₃ beiträgt. Im gesamten thermischen Zersetzungsprozess von AP nutzt GO hauptsächlich seine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit und reduziert effektiv die Bildung von Hot Spots, wodurch die Empfindlichkeit verringert und die Systemsicherheit verbessert wird.

Zusätzlich wurden Versuche unternommen, das Verhältnis von MOF-Materialien und den Anteil von GO in GO@MOF-Kompositen zu ändern. Die spezifischen DSC-Kurven und verwandten Daten sind in Abb. 12 und Tabelle 2 gezeigt. Um verschiedene Proben besser und einfacher zu unterscheiden, wird AP/MOF-5 mit 3 % und 10 % MOF als AP/MG-3, AP/MG-10 bezeichnet. 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 Abb. 9 ist ersichtlich, dass bei 3,5 % GO-Gehalt und 5 % GO@MOF-Anteil im AP-Komposit die beiden Zersetzungsspitzentemperaturen am stärksten vorverlagert sind und der entsprechende katalytische Effekt auch optimal ist (Abb. 13).

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurden AP/(GO@) MOF-Komposite hergestellt und ihre katalytischen Effekte 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 wird signifikant vorverlagert, sondern auch der ΔH wird effektiv erhöht und die Aktivierungsenergie der Reaktion gesenkt. Unter ihnen hat der AP-Komplex den besten katalytischen Effekt, 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, die mehr reaktive Zentren und seine starke Adsorption bereitstellt, sowie den großen Vorteil von GO in Wärmeleitung und Elektronentransfer, die synergistisch den thermischen Zersetzungsprozess von AP beschleunigen. Darüber hinaus liefert diese Studie experimentelle und theoretische Unterstützung für die Anwendung von MOF- und GO-Kompositen in der AP-thermischen Zersetzung.

Abkürzungen

AP:

Ammoniumperchlorat

BET:

Brunauer-Emmett-Teller

CCSs:

Carboxyl-reiche Kohlenstoffsphären

CNT:

Kohlenstoffnanoröhre

DSC-TG:

Differenzielle Scanning-Kalorimetrie und Thermogravimetrie

Ea:

Aktivierungsenergie

EDS:

Energiedispersive Spektroskopie

FT-IR:

Fourier-Transform-Infrarotspektrometer;

GO:

Graphenoxid

H2BDC:

1,4-Benzenedicarbonsäure

HTD:

Hochtemperatur-Zersetzung

LTD:

Niedrigtemperatur-Zersetzung

MOF-5:

Zn₄O(benzol-1,4-dicarboxylat)₃

MOFs:

Metall-organische Gerüstverbindungen

REM:

Rasterelektronenmikroskopie

XRD:

Röntgenbeugung

ΔH:

Enthalpie