石墨烯基燃燒催化劑因其優異的催化性能而受到推進劑化學家的廣泛關注。為了研究氧化石墨烯與二茂鐵衍生物的協同作用，采用真空冷凍干燥法制備了不同氧化石墨烯含量的氧化石墨烯-(二茂鐵甲基)二甲胺-3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(GO@MAFcNTO)復合材料。采用SEM、EDS、FT-IR、XRD、Raman、XPS等方法對其進行了系統地表征。通過DSC檢測GO@MAFcNTO對AP的催化作用，并通過熱分解動力學計算分析相應的動力學參數。此外，還分析了添加或不添加GO@MAFcNTO的HTPB推進劑的燃燒速率、壓力指數、火焰結構和冷凝燃燒產物。結果表明，合成的GO@MAFcNTO能有效降低AP的活化能和分解溫度。此外，含有GO@MAFcNTO的HTPB推進劑的燃燒性能得到了很大的改善，鋁粉的燃燒效率也得到了提高。在2.0 MPa時，含GO@MAFcNTO的HTPB推進劑燃燒速率從2.19 mm·s
-1 增加到4.43 mm·s
-1。GO@MAFcNTO優異的催化性能不僅來自于鐵在二茂鐵衍生物的氧化石墨烯片層中的均勻分散，還來自于氧化石墨烯優異的導電性以及氧化石墨烯與MAFcNTO的協同作用。其中，氧化石墨烯在反應過程中主要起到降低活化能的作用，二茂鐵衍生物在反應過程中提供了大量的活性位點，兩者的協同作用促使配合物具有良好的催化活性。
圖1. GO@MAFcNTO復合材料制備示意圖。
圖2. MAFcNTO的EDS譜圖。(a)原始的MAFcNTO， (b)真空冷凍干燥后的MAFcNTO。
圖3. 20% GO@MAFcNTO (a)、40% GO@MAFcNTO (b)、60% GO@MAFcNTO (c)、80% GO@MAFcNTO (d)復合材料的EDS圖。
圖4. GO (a)、MAFcNTO (b)和GO@MAFCNTO復合材料(c)的FT-IR結果。
圖5. . GO (a)、MAFcNTO (a)和GO@MAFcNTO復合材料(b)的XRD結果。
圖6. GO與GO@MAFCcNTO復合材料的拉曼圖譜。
圖7. GO與GO@MAFCcNTO復合材料的XPS圖譜。
圖8. DSC曲線結果。(a, b)升溫速率為10℃/min。(c-f)添加和不添加催化劑時不同升溫速率下AP的DSC曲線。
圖9. 不同壓力下HTPB推進劑燃燒速率曲線(a)。不同壓力下20% GO@MAFcNTO/HTPB推進劑燃燒表面運動(b)。
圖10. HTPB推進劑在0.1 MPa下的火焰圖像。
圖11. 含和不含推進劑時20%GO@MAFcNTO在0.1 MPa下冷凝燃燒產物的SEM圖像。
圖12. GO@MAFcNTO復合材料作為HTPB推進劑多功能燃燒催化劑的性能與機理。
相關研究成果由南京理工大學化學與化工學院、微納含能器件工業和信息化部重點實驗室Lizhi Wu等人于2023年發表在Combustion and Flame (https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2023.112620)上。原文：Graphene oxide-(ferrocenylmethyl) dimethylammonium 3-nitro-1,2,4-triazol-5-one composites as catalysts on the combustion of HTPB propellant。
轉自《石墨烯研究》公眾號
