三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三维有序大孔‑介孔碳/高氯酸铵复合材料的制备方法，包括：(1)制备得到高氯酸铵的饱和溶液；(2)将高氯酸铵的饱和溶液以微量进样器滴加在三维有序大孔‑介孔碳骨架表面，每次滴加后在室温下静置待有机溶剂挥发之后，再进行下一次滴加；(3)通过控制滴加高氯酸铵饱和溶液的次数，调节高氯酸铵的填充量；(4)将步骤(3)得到的物质经过干燥处理。本发明专利技术还公开了三维有序大孔‑介孔碳/高氯酸铵复合材料。本发明专利技术的制备方法流程简单，反应条件温和，负载量可控；本发明专利技术所制备的三维有序大孔‑介孔碳/高氯酸铵复合材料不仅可有效降低高氯酸铵的高温分解温度，还可将高氯酸铵的表观放热量提高到2500J/g以上。

Three dimensional ordered macroporous mesoporous carbon / Ammonium Perchlorate Composite material and preparation method thereof

The invention discloses a three-dimensional ordered macroporous mesoporous carbon / Ammonium Perchlorate Composite material preparation method, including: (1) prepare a saturated solution of ammonium perchlorate; (2) the saturated solution of ammonium perchlorate with micro injector dropping in three-dimensional ordered macroporous mesoporous mesoporous carbon skeleton surface, after each drop after standing at room temperature for volatile organic solvent, and then the next drop; (3) by controlling the drop of saturated solution of ammonium chlorate high frequency, filling quantity regulation of ammonium perchlorate; (4) the step (3) material obtained after drying. The invention also discloses a three-dimensional ordered macroporous mesoporous carbon / Ammonium Perchlorate Composite materials. The preparation method of the invention has the advantages of simple process, mild reaction conditions and loading controlled; the three-dimensional ordered macroporous mesoporous carbon / preparation of Ammonium Perchlorate Composite not only can effectively reduce the temperature of Ammonium Perchlorate Decomposition temperature, ammonium perchlorate can also be the apparent heat release of up to 2500J/g above.

【技术实现步骤摘要】
三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料及其制备方法
本专利技术属于含能材料领域，具体为一种高放热量的三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料及其制备方法。
技术介绍
高氯酸铵(NH4ClO4，AP)是复合固体推进剂中最常用的氧化剂，其热分解过程对于推进剂的燃烧性能有着极为重要的影响。一般而言，高氯酸铵的高温分解温度越低，表观放热量越高，推进剂的点火延迟时间越短，燃速越高。虽然降低高氯酸铵的颗粒尺寸可以提高固体推进剂的性能，但超细的高氯酸铵不仅容易团聚，还非常危险。由于高氯酸铵的热分解对催化剂非常敏感，近年来多采用添加催化剂来调节高氯酸铵的热分解性能。在以往的研究中，对催化剂的性能要求主要侧重于降低高氯酸铵的高温分解温度，大多数催化剂仅能使高氯酸铵的表观放热量维持在1000J/g～2000J/g，只有少数含碳的催化剂能得到较高放热量(>2500J/g)。因此，开发能够同时降低高氯酸铵高温分解温度和大幅度提高表观放热量的高效催化剂是推进剂领域研究的热点和面临的难题。三维有序大孔-介孔碳材料是一种同时兼具了大孔材料孔体积大、传质速度快和介孔材料比表面积高的优点的新型功能性碳材料。将高氯酸铵与其复合，碳骨架多尺度的孔道结构不仅可以提供大量的催化活性位点、降低传质阻力，还可以保证填充在孔道内的高氯酸铵具有纳米尺度，有利于解决超细高氯酸铵容易团聚的问题，最大程度地发挥三维有序大孔-介孔碳材料的催化作用。此外，碳材料自身优异的导电导热性以及可燃烧性，不仅有利于高氯酸铵热分解过程中的电子转移，还可与分解产生的氧化性产物发生燃烧反应，释放大量的燃烧热。目前还没有制备三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料并研究其高放热性能的报道。
技术实现思路
本专利技术克服了现有催化剂在提高高氯酸铵表观放热量上的不足，提供一种三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料及其制备方法，以期望可以获得一种高放热量的复合材料。为解决上述的技术问题，本专利技术的一种实施方式采用以下技术方案：一种三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将过量高氯酸铵在室温下溶解于适量具有挥发性的有机溶剂中，过滤后得到高氯酸铵的饱和溶液；(2)将高氯酸铵的饱和溶液以微量进样器滴加在三维有序大孔-介孔碳骨架表面，每次滴加后在室温下静置待有机溶剂挥发之后，再进行下一次滴加，以避免高氯酸铵蔓延出碳骨架。此过程中高氯酸铵的饱和溶液在重力作用下自行扩散并渗入碳骨架孔壁内层，溶剂挥发过程进一步加速高氯酸铵在骨架内的扩散，最后高氯酸铵在孔道内结晶析出；(3)通过控制滴加高氯酸铵饱和溶液的次数，调节高氯酸铵的填充量；(4)将步骤(3)得到的物质经过干燥处理，即得三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料。更进一步的方案是：所述具有挥发性的有机溶剂为丙酮或者丙酮与二甲基亚砜的混合液。更进一步的方案是：所述丙酮与二甲基亚砜的混合液中丙酮与二甲基亚砜的质量比为(8～10):1。更进一步的方案是：步骤(4)干燥的温度为40～60℃。本专利技术的三维有序大孔-介孔碳骨架，是在现有的三维有序大孔碳骨架的基础上，在碳骨架的大孔壁上还具有介孔结构，介孔结构为碳骨架提供了高比表面积，利于负载物的吸附和整个骨架的连通性。而且介孔的存在使碳骨架具有多级孔结构，可以为催化提供丰富的活性位点。本专利技术通过利用高氯酸铵饱和溶液在毛细管力作用下进入三维有序大孔-介孔碳骨架，随着溶剂挥发分散到整个骨架并结晶，实现负载。方法简单有效，构思巧妙，能够很好的满足本专利技术的要求，具有创新性。本专利技术的另一个目的在于提供一种三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料，所述三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料是通过前述制备方法制备得到的，是以三维有序大孔-介孔碳骨架为载体负载高氯酸铵而形成的复合材料。更进一步的方案是：所述三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料中含高氯酸铵的质量分数为60～90％。复合材料中高氯酸铵的含量直接影响材料的放热性，在此质量分数条件下，三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料的放热量较高。更进一步的方案是：所述三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料的放热量高于2500J/g。三维有序大孔-介孔碳骨架可与高氯酸铵热分解产生的氧化性产物发生燃烧反应，释放大量的燃烧热，表现为复合材料的表观放热量大幅提高。更进一步的方案是：所述三维有序大孔-介孔碳骨架的大孔的孔径为280～400nm。三维有序大孔-介孔碳材料是一种同时兼具了大孔材料孔体积大、传质速度快和介孔材料比表面积高的新型功能性碳材料。将高氯酸铵与其复合，碳骨架多尺度的孔道结构不仅可以提供大量的催化活性位点、降低传质阻力，还可以保证填充在孔道内的高氯酸铵具有纳米尺度，有利于解决超细高氯酸铵容易团聚的问题，最大程度地发挥三维有序大孔-介孔碳材料的催化作用。此外，碳材料自身优异的导电导热性以及可燃烧性，不仅有利于降低高氯酸铵的高温分解温度，还可显著提高分解反应的放热量。与现有技术相比，本专利技术的有益效果之一是：本专利技术提供了一种三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料，它是以三维有序大孔-介孔碳骨架为载体，通过溶剂滴加挥发实现了高氯酸铵在载体中的高度分散以及与碳骨架在纳米尺度下的充分接触与反应；本专利技术的制备方法流程简单，反应条件温和，负载量可控；本专利技术所制备的三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料不仅可有效降低高氯酸铵的高温分解温度，还可将高氯酸铵的表观放热量提高到2500J/g以上。实验所用纯高氯酸铵的高温分解峰温为432.7℃，表观放热量为657.33J/g，复合材料与之相比，高温分解峰温一般可降低42℃～104℃，表观放热量可提高至2605～3755J/g。附图说明图1、孔径280nm的三维有序大孔-介孔碳骨架材料的SEM照片。图2、孔径280nm的三维有序大孔-介孔碳骨架材料的TEM照片。图3、孔径280nm的三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料的SEM照片，高氯酸铵含量为60wt％。图4、孔径280nm的三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料的SEM照片，高氯酸铵含量为90wt％。图5、孔径280nm的三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料的XRD谱图。图6、孔径280nm的三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料的DSC谱图。图7、孔径280nm的三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料的TG谱图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1：高氯酸铵与孔径280nm的三维有序大孔-介孔碳组成的复合材料，高氯酸铵含量为60wt％。室温下配置高氯酸铵的丙酮饱和溶液，过滤后留上清液待用。取40mg孔径280nm的三维有序大孔-介孔碳骨架材料，其SEM照片如图1所示，TEM照片如图2所示。将高氯酸铵的饱和溶液以1mL的微量进样器滴加在三维有序大孔-介孔碳骨架表面，每次滴加后待丙酮挥发，再进行下一次滴加。滴加一定量后，将复合材料在50℃空气中干燥，称重后估算高氯酸铵含量。控制滴加次数，直至复合材料中高氯酸铵的含量达到约60wt％，其SEM照片如图3所示，XRD谱图如图5所示。图6的DSC分析显示复合材料只本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维有序大孔‑介孔碳/高氯酸铵复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将过量高氯酸铵在室温下溶解于适量具有挥发性的有机溶剂中，过滤后得到高氯酸铵的饱和溶液；(2)将高氯酸铵的饱和溶液以微量进样器滴加在三维有序大孔‑介孔碳骨架表面，每次滴加后在室温下静置待有机溶剂挥发之后，再进行下一次滴加，以避免高氯酸铵蔓延出碳骨架；此过程中高氯酸铵的饱和溶液在重力作用下自行扩散并渗入碳骨架孔壁内层，溶剂挥发过程进一步加速高氯酸铵在骨架内的扩散，最后高氯酸铵在孔道内结晶析出；(3)通过控制滴加高氯酸铵饱和溶液的次数，调节高氯酸铵的填充量；(4)将步骤(3)得到的物质经过干燥处理，即得三维有序大孔‑介孔碳/高氯酸铵复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将过量高氯酸铵在室温下溶解于适量具有挥发性的有机溶剂中，过滤后得到高氯酸铵的饱和溶液；(2)将高氯酸铵的饱和溶液以微量进样器滴加在三维有序大孔-介孔碳骨架表面，每次滴加后在室温下静置待有机溶剂挥发之后，再进行下一次滴加，以避免高氯酸铵蔓延出碳骨架；此过程中高氯酸铵的饱和溶液在重力作用下自行扩散并渗入碳骨架孔壁内层，溶剂挥发过程进一步加速高氯酸铵在骨架内的扩散，最后高氯酸铵在孔道内结晶析出；(3)通过控制滴加高氯酸铵饱和溶液的次数，调节高氯酸铵的填充量；(4)将步骤(3)得到的物质经过干燥处理，即得三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料。2.根据权利要求1所述三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料的制备方法，其特征在于：所述具有挥发性的有机溶剂为丙酮或者丙酮与二甲基亚砜的混合液。3.根据权利要求2所述三维有序大孔-介孔碳/高氯酸铵复合材料的制备方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈瑾，吴鹏，贺思敏，黄兵，张丽媛，王军，谯志强，杨光成，黄辉，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51