一种3DOM包封结构的纳米复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于三维有序大孔材料技术领域，本发明专利技术提供了一种3DOM包封结构的纳米复合材料及其制备方法，将胶体晶体模板在金属离子前驱体溶液中浸渍后顺次进行干燥、煅烧，得到3DOMCoFe2O4材料；将3DOM CoFe2O4材料浸渍在高氯酸铵溶液中，然后经冷冻干燥，得到3DOM包封结构的纳米复合材料；胶体晶体模板为聚甲基丙烯酸甲酯胶体晶体模板或聚苯乙烯胶体晶体模板；金属离子前驱体溶液包含硝酸铁、硝酸钴、柠檬酸和溶剂。本发明专利技术制备的3DOMCoFe2O4@AP显著提高了电子转移速率以及催化活性，包封结构的3DOMCoFe2O4@AP可广泛应用于固体推进剂、航空航天以及工业催化等领域。航天以及工业催化等领域。航天以及工业催化等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种3DOM包封结构的纳米复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及三维有序大孔材料
，尤其涉及一种3DOM包封结构的纳米复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]三维有序大孔材料(3DOM)由于其连接的三维孔隙结构和良好的传质效率，已成为一种很有前途的催化反应催化剂。基于3DOM支撑的功能组件和功能3DOM材料设计的特殊应用可以大大降低分子扩散阻力，为气体和固体颗粒提供足够的空间进行对流和传输，从而有效提高催化效率。然而关于3DOM作为包封模板制备纳米复合材料仍然具有挑战性。
[0003]固体推进剂作为火箭发动机和导弹发动机的动力源，对导弹的弹道性能有显著影响。固体推进剂主要包括复合固体推进剂和双基推进剂，主要由氧化剂、粘合剂、金属燃料、燃速催化剂(BRCs)和固化剂组成。众所周知，高氯酸铵(AP)是固体火箭推进剂中应用最广泛的氧化剂，其热分解特性对推进剂的整体燃烧性能有显著影响。因此，AP的热分解行为常被用来评价复合推进剂的燃烧行为。然而目前的研究主要集中在燃速催化剂的制备上或者是AP的尺寸大小的控制上，而对于如何将两者进行统一仍然存在着巨大的挑战，这也意味着无法极大化提高催化剂的潜力以及AP的热分解效率。
[0004]因此，如何得到一种既能提高AP与3DOM催化剂的接触效率，又能对AP的尺寸进行调控的纳米复合材料，成为目前亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种3DOM包封结构的纳米复合材料及其制备方法。r/>[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种3DOM包封结构的纳米复合材料的制备方法，包含如下步骤：
[0008]1)将胶体晶体模板在金属离子前驱体溶液中浸渍后顺次进行干燥、煅烧，得到3DOMCoFe2O4材料；
[0009]2)将3DOMCoFe2O4材料浸渍在高氯酸铵溶液中，然后经冷冻干燥，得到3DOM包封结构的纳米复合材料；
[0010]步骤1)所述胶体晶体模板为聚甲基丙烯酸甲酯胶体晶体模板或聚苯乙烯胶体晶体模板；所述金属离子前驱体溶液包含硝酸铁、硝酸钴、柠檬酸和溶剂。
[0011]作为优选，步骤1)所述聚甲基丙烯酸甲酯胶体晶体模板或聚苯乙烯胶体晶体模板由聚甲基丙烯酸甲酯乳液微球或聚苯乙烯乳液微球干燥得到；聚甲基丙烯酸甲酯乳液微球或聚苯乙烯乳液微球的粒径独立的为150～400nm；干燥的温度为40～80℃，干燥的时间为6～10h。
[0012]作为优选，步骤1)所述金属离子前驱体溶液中，金属离子为钴离子和铁离子，金属离子的总浓度为0.8～2mol/L，钴离子和铁离子的摩尔比为1：0.5～2.5，金属离子和柠檬酸
的摩尔比为1：0.5～2.0。
[0013]作为优选，步骤1)所述溶剂包含甲醇、乙醇、乙二醇和丙三醇中的一种或几种。
[0014]作为优选，步骤1)所述胶体晶体模板和金属离子前驱体溶液的质量体积比为1g：2.5～10mL。
[0015]作为优选，步骤1)所述浸渍的时间为3～6h，所述干燥的温度为30～70℃，干燥的时间为8～10h。
[0016]作为优选，步骤1)所述煅烧的温度为400～500℃，煅烧温度下的保温时间为4～6h，升温至煅烧温度的升温速率为1～5℃/min。
[0017]作为优选，步骤2)所述3DOMCoFe2O4材料和高氯酸铵溶液的质量体积比为1g：200～800mL；高氯酸铵溶液的浓度为0.01～0.16g/mL。
[0018]作为优选，步骤2)所述浸渍的时间为0.5～6min；所述冷冻干燥的温度为
‑
50～
‑
5℃，冷冻干燥的时间为8～32h。
[0019]本专利技术还提供了所述的制备方法制备得到的3DOM包封结构的纳米复合材料。
[0020]本专利技术的有益效果包括：
[0021]1)本专利技术的方法制备的包封结构的3DOMCoFe2O4@AP具有较好的稳定性，在低于100℃保持良好的结构和性质；本专利技术的方法采用稳定的3DOM CoFe2O4骨架为模板框架，构建了大孔并大大提升了复合材料的比表面积，有利于提高传质效率。
[0022]2)本专利技术制备的3DOMCoFe2O4@AP可将AP拓展为二维纳米薄膜以及完全包封的微球，并构建了催化剂/AP界面，显著提高了电子转移速率以及催化活性，包封结构的3DOMCoFe2O4@AP广泛应用于固体推进剂、航空航天以及工业催化等领域。
[0023]3)本专利技术制备的3DOMCoFe2O4@AP中的金属组分成本低，易获得，并且绿色环保，该复合材料使用的处理设备简单常见，不需要添加昂贵设备，此外制备过程简单可控。
附图说明
[0024]图1为实施例1制备的PMMA胶体晶体模板的图像；
[0025]图2为实施例1制备的3DOMCoFe2O4材料的SEM图和TEM图，其中，a为SEM图，b为TEM图；
[0026]图3为不同AP含量的3DOMCoFe2O4@AP的SEM图，其中，a为AP质量分数20～40％，b为AP质量分数60～80％，c为AP质量分数≥90％；
[0027]图4为实施例1制备的3DOMCoFe2O4@AP的SEM图和EDS图；
[0028]图5为实施例1制备的3DOMCoFe2O4@AP的TG图与DSC图，其中，a为TG图，b为DSC图。
具体实施方式
[0029]本专利技术提供了一种3DOM包封结构的纳米复合材料的制备方法，包含如下步骤：
[0030]1)将胶体晶体模板在金属离子前驱体溶液中浸渍后顺次进行干燥、煅烧，得到3DOMCoFe2O4材料；
[0031]2)将3DOMCoFe2O4材料浸渍在高氯酸铵溶液中，然后经冷冻干燥，得到3DOM包封结构的纳米复合材料；
[0032]步骤1)所述胶体晶体模板为聚甲基丙烯酸甲酯胶体晶体模板或聚苯乙烯胶体晶
体模板；所述金属离子前驱体溶液包含硝酸铁、硝酸钴、柠檬酸和溶剂。
[0033]本专利技术中，步骤1)所述聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体晶体模板或聚苯乙烯(PS)胶体晶体模板优选由聚甲基丙烯酸甲酯乳液微球或聚苯乙烯乳液微球干燥得到；聚甲基丙烯酸甲酯乳液微球或聚苯乙烯乳液微球的粒径独立的优选为150～400nm，进一步优选为200nm、220nm、230nm、250nm、280nm、300nm、350mm或380nm；干燥的温度优选为40～80℃，进一步优选为45℃、50℃、55℃、60℃、65℃或70℃；干燥的时间优选为6～10h，进一步优选为6.5h、7h、7.5h、8h、8.5h、9h或9.5h。
[0034]本专利技术中，步骤1)所述金属离子前驱体溶液中，金属离子为钴离子和铁离子，金属离子的总浓度优选为0.8～2mol/L，进一步优选为0.9～1.8mol/L，更优选为1.2～1.6mol/L；钴离子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3DOM包封结构的纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：1)将胶体晶体模板在金属离子前驱体溶液中浸渍后顺次进行干燥、煅烧，得到3DOM CoFe2O4材料；2)将3DOM CoFe2O4材料浸渍在高氯酸铵溶液中，然后经冷冻干燥，得到3DOM包封结构的纳米复合材料；步骤1)所述胶体晶体模板为聚甲基丙烯酸甲酯胶体晶体模板或聚苯乙烯胶体晶体模板；所述金属离子前驱体溶液包含硝酸铁、硝酸钴、柠檬酸和溶剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述聚甲基丙烯酸甲酯胶体晶体模板或聚苯乙烯胶体晶体模板由聚甲基丙烯酸甲酯乳液微球或聚苯乙烯乳液微球干燥得到；聚甲基丙烯酸甲酯乳液微球或聚苯乙烯乳液微球的粒径独立的为150～400nm；干燥的温度为40～80℃，干燥的时间为6～10h。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述金属离子前驱体溶液中，金属离子为钴离子和铁离子，金属离子的总浓度为0.8～2mol/L，钴离子和铁离子的摩尔比为1：0.5～2.5，金属离子和柠檬酸的摩尔比为1：0.5～2.0。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国平，杨德胜，朱逢丹，罗运军，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：