一种ZnO/CB催化剂的制备方法及其催化高氯酸铵热分解的应用技术

本发明专利技术公开了一种ZnO/CB催化剂的制备方法及其催化高氯酸铵热分解的应用，属于核壳结构纳米催化剂制备技术领域。本发明专利技术解决现有单一ZnO作为催化剂催化高氯酸铵热分解过程中，AP的热分解温度高、放热量不集中、分解速率慢的问题。本发明专利技术将碳黑放入筛网容器中，再置于ALD沉积腔内，先将沉积腔抽至真空，充入氮气，再升温，然后进行原子层周期沉积生长，沉积100～400个生长周期，得到高性能的催化高氯酸铵热分解纳米材料。该以碳黑为核、片状纳米ZnO为壳，可使高氯酸铵的低温放热峰消失，高温放热峰提前至280～300℃，可用于高氯酸铵类固体推进剂中。

【技术实现步骤摘要】
一种ZnO/CB催化剂的制备方法及其催化高氯酸铵热分解的应用
本专利技术涉及一种ZnO/CB催化剂的制备方法及其催化高氯酸铵热分解的应用，属于核壳结构纳米催化剂制备

技术介绍
固体推进剂作为各类武器系统的动力源被广泛应用在火箭的推进、战略导弹、战术导弹、防空反导等。而高氯酸铵(AP)作为固体推进剂的重要氧化剂之一，其热分解性能对高氯酸铵复合推进剂的燃烧过程具有重要的影响。纯AP的热分解曲线如图1所示，纯AP的热分解过程分为三个阶段：第一阶段是AP的晶型转变吸热过程，在240～250℃之间AP由低温的斜方晶型可逆地转变为高温的立方晶型；第二阶段为AP的低温分解放热阶段，在300～330℃间AP部分分解成HClO4(g)和NH3(g)，接着是HClO4(g)的一系列降解过程及产物对部分NH3(g)的氧化反应，而未反应的NH3(g)覆盖在AP表面，逐渐将活化中心覆盖，阻止进步一步的分解；第三阶段为AP的高温分解阶段，也是主要的分解阶段，在350～460℃间为AP进行高温分解，在该阶段发生HClO4解吸附，不仅在气相中进行ClO4-氧化NH3的反应，也在凝聚相表面发生AP的分解过程。为了有效提高AP的热分解效率，研究人员将单一组分的ZnO作为催化剂对AP进行热分解，提高AP的热分解速率；但是在单一ZnO的催化作用下，AP的热分解温度为330～350℃，热分解温度依然较高，而且放热量不集中，分解速率依旧很慢。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有单一ZnO作为催化剂催化高氯酸铵热分解过程中，AP的热分解温度高、放热量不集中、分解速率慢的问题，提供一种ZnO/CB催化剂的制备方法及其催化高氯酸铵热分解的应用。一种ZnO/CB催化剂的制备方法，该方法的操作过程为：将碳黑盛装在多层筛网钩织而成的容器内，然后对碳黑表面进行原子层沉积处理，获得以碳黑为核、纳米ZnO为的碳黑/ZnO核壳结构纳米材料，ZnO壳层的厚度为10～40nm。进一步地，盛装碳黑的容器由多层300～600目筛网钩织而成。更进一步地，盛装碳黑的容器由多层400目筛网钩织而成。进一步地，原子层沉积处理的操作过程为：将碳黑盛装在多层筛网钩织而成的容器内，然后放置到原子层沉积仪的沉积腔中，将沉积腔抽真空至4×10-3Torr～6×10-3Torr，再通入氮气至沉积腔压力为0.1～0.2Torr；将沉积腔的温度升至100～200℃，进行ZnO壳层原子层周期沉积生长，重复执行100～400个生长沉积周期，完成ZnO壳层膜层的沉积，获得碳黑/ZnO核壳结构纳米材料。更进一步地，每个原子层沉积生长周期的操作过程为：a)向原子层沉积仪的沉积腔体内以脉冲形式注入锌源，脉冲时间t1为0.01～0.05s；b)切断进气阀、排气阀进行化学吸附，吸附时间t2为：3～8s；c)打开进气阀、排气阀进行吹扫，吹扫时间t3为：30～60s；d)向原子层沉积仪的沉积腔体内以脉冲形式注入氧源，脉冲时间t4为：0.01～0.04s；e)切断进气阀、排气阀进行反应，反应时间t5为：3～8s；f)打开进气阀、排气阀进行吹扫，吹扫时间t6为：30～60s，完成一个沉积生长周期。更进一步地，每个原子层沉积生长周期的操作过程为：a)向原子层沉积仪的沉积腔体内以脉冲形式注入锌源，脉冲时间t1为0.03s；b)切断进气阀、排气阀进行化学吸附，吸附时间t2为：5s；c)打开进气阀、排气阀进行吹扫，吹扫时间t3为：40s；d)向原子层沉积仪的沉积腔体内以脉冲形式注入氧源，脉冲时间t4为：0.03s；e)切断进气阀、排气阀进行反应，反应时间t5为：5s；f)打开进气阀、排气阀进行吹扫，吹扫时间t6为：40s，完成一个沉积生长周期。进一步地，锌源为氯化锌，氧源为氧气。进一步地，沉积腔抽真空至4.5×10-3Torr～5.5×10-3Torr，通入氮气至沉积腔压力为0.13～0.17Torr。进一步地，重复执行300个生长沉积周期。应用上述方法制备的ZnO/CB催化剂催化高氯酸铵热分解的方法，该方法的操作过程为：将ZnO/CB催化剂与高氯酸铵按照3:97的质量比混合，在氮气保护下，以10℃/min的速率升温至500℃。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术在碳黑表面进行原子层沉积，在其表面形成致密、连续的ZnO膜层，得到碳黑/ZnO核壳结构纳米材料。该材料可用于催化AP的热分解反应，解决了单一组分ZnO作为催化剂催化AP热分解过程中，AP的热分解温度高、放热量不集中、分解速率慢的技术问题。此外，本专利技术还具有以下优点：(1)本专利技术以碳黑为核、片状纳米ZnO为壳形成的核壳结构纳米材料一方面提高了催化剂的分散性，让更多的活性位点得以暴露，另一方面碳黑优良的导电性可加速AP热分解过程中的电子转移，协同提高催化效果。(2)碳黑/ZnO核壳结构纳米材料还能够使AP得低温放热峰消失，高温放热峰提前至280～300℃，而且放热量集中，有效的提高分解速率，在相同条件下可大幅度提高推进剂推力。(3)本专利技术的碳黑/ZnO核壳结构纳米材料制备方法简单，效率高。可用于高氯酸铵类固体推进剂中。附图说明图1为纯AP热分解曲线；图2为实施例1制备的碳黑/ZnO核壳结构纳米材料的TEM图；图3为实施例1制备的碳黑/ZnO核壳结构纳米材料的XRD图；图4为实施例1制备的碳黑/ZnO核壳结构纳米材料催化AP的热分解曲线；图5为实施例2制备的碳黑/ZnO核壳结构纳米材料的TEM图；图6为实施例2制备的碳黑/ZnO核壳结构纳米材料的HRTEM图；图7为实施例2制备的碳黑/ZnO核壳结构纳米材料的催化AP的热分解曲线。具体实施方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。实施例1：(1)制备ZnO/CB催化剂一、将0.01g碳黑封闭在由四层500目筛网钩织而成的容器内，放置到ALD沉积腔内，将沉积腔抽真空至5×10-3Torr，再通入氮气至沉积腔压力为0.15Torr；二、将沉积腔的温度升至150℃；三、进行原子层周期沉积生长，每个生长沉积周期的操作为：(1)向沉积腔内以脉冲形式注入二乙基锌作为锌源，脉冲时间t1为0.02s；(2)切断进气阀、排气阀进行化学吸附，吸附时间t2为：5s；(3)打开进气阀、排气阀进行吹扫，吹扫时间t3为：40s；(4)再向反应腔脉冲注入去离子水作为氧源，脉冲时间t4为：0.015s；(5)切断进气阀、排气阀进行反应，反应时间t5为：5s；(6)打开进气阀、排气阀进行吹扫，吹扫时间t6为：40s，完成一个沉积生长周期；四、重复300个生长周期的沉积，得到催化高氯酸铵热分解的碳黑/ZnO核壳结构纳米材料。本实施例获得的的碳黑/ZnO核壳结构纳米材料的的透射电镜照片如图2所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种ZnO/CB催化剂的制备方法，其特征在于，该方法的操作过程为：将碳黑盛装在多层筛网钩织而成的容器内，然后对碳黑表面进行原子层沉积处理，获得以碳黑为核、纳米ZnO为壳的碳黑/ZnO核壳结构纳米材料，其中ZnO壳层的厚度为10～40nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种ZnO/CB催化剂的制备方法，其特征在于，该方法的操作过程为：将碳黑盛装在多层筛网钩织而成的容器内，然后对碳黑表面进行原子层沉积处理，获得以碳黑为核、纳米ZnO为壳的碳黑/ZnO核壳结构纳米材料，其中ZnO壳层的厚度为10～40nm。


2.根据权利要求1所述的一种ZnO/CB催化剂的制备方法，其特征在于，所述的盛装碳黑的容器由多层300～600目筛网钩织而成。


3.根据权利要求1或2所述的一种ZnO/CB催化剂的制备方法，其特征在于，所述的盛装碳黑的容器由多层400目筛网钩织而成。


4.根据权利要求1所述的一种ZnO/CB催化剂的制备方法，其特征在于，所述的原子层沉积处理的操作过程为：将碳黑盛装在多层筛网钩织而成的容器内，然后放置到原子层沉积仪的沉积腔中，将沉积腔的真空度抽至4×10-3Torr～6×10-3Torr，再通入氮气至沉积腔压力为0.1～0.2Torr；将沉积腔的温度升至100～200℃，进行ZnO壳层原子层周期沉积生长，重复执行100～400个生长沉积周期，完成ZnO壳层膜层的沉积，获得碳黑/ZnO核壳结构纳米材料。


5.根据权利要求4所述的一种ZnO/CB催化剂的制备方法，其特征在于，每个原子层沉积生长周期的操作过程为：a)向原子层沉积仪的沉积腔体内以脉冲形式注入锌源，脉冲时间t1为0.01～0.05s；b)切断进气阀、排气阀进行化学吸附，吸附时间t2为：3～8s；c)打开进气阀、排气阀进行吹扫，吹扫时间t3为：30～60s；d)向原子层沉积仪的沉积腔体内以脉冲形式注入氧源，脉...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓宏，李杨，王景风，卢松涛，秦伟，洪杨，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23