一種鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉體及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高能固體推進(jìn)劑技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉體及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高氯酸銨的催化熱分解在航空航天、宇宙空間探索和衛(wèi)星發(fā)射等領(lǐng)域有著重要作用，這是由于高氯酸銨是火箭固體復(fù)合推進(jìn)劑中的一種重要的氧化劑，它的燃燒行為極大地影響著火箭飛行的彈道軌跡。為了提高推進(jìn)劑的能量水平，可以在推進(jìn)劑配方中加入添加劑，添加劑能夠使高氯酸銨在相對(duì)較低的溫度下實(shí)現(xiàn)高效熱分解，以提高燃料溫度而獲得高的比沖和特征速度。人們研究了大量的添加劑并發(fā)現(xiàn)了一些具有優(yōu)異催化性能的添加劑，但是由于這些添加劑的密度高，很可能給火箭增加額外的負(fù)載。因此，尋找具有高催化性能、低密度的添加劑成為材料和化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0003]氧化鎂的理論密度為3.58 g.cm3，是一種低密度材料。已有文獻(xiàn)表明，氧化鎂作為添加劑時(shí)，對(duì)高氯酸銨表現(xiàn)出一定的催化性能，可以將純高氯酸銨高溫階段的熱分解溫度降低 50~7CTC (Duan Guorong, Yang Xujie, Chen Jian, et al.The catalyticeffect of nanosized MgO on the decomposit1n of ammonium perchlorate.PowderTechnology, 172(1):27-29.)。但與其他已知的催化添加劑相比，該材料的性能仍需進(jìn)一步提高，才能使其得到更為廣泛的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉體及其制備方法，所得鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉體具有不同粒徑及不同比表面積，使其催化活性存在差異，而可根據(jù)需要用作提高固體推進(jìn)劑性能的催化添加劑。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉體中含有氧化鎂、氧化鋅和氧化銅，其通式為Mg1 xZnx yCuy0，其中，0.05 < x < 0.1，0<y<x ；
所述鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉體的晶粒粒徑為5-30nm，其比表面積為100~300m2/g。
[0006]進(jìn)一步的，所述鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉末符合Mga9ZnatJ5CuatJ5O的化學(xué)計(jì)量比，其平均晶粒粒徑為18nm，平均比表面積為200.3 m2/g ;或符合Mga9Zna Q2CuaQS0的化學(xué)計(jì)量比，其平均晶粒粒徑為25nm，平均比表面積為160.5 m2/g ;或符合Mga9Zna Juaff1的化學(xué)計(jì)量比，其平均晶粒粒徑為20nm，平均比表面積為230.8m2/g ;或符合Mga95ZnaQ2CuQ.Q30的化學(xué)計(jì)量比，其平均晶粒粒徑為15nm，平均比表面積為250.8 m2/g ;或符合Mg。.95Zn。.Jua。20的化學(xué)計(jì)量比，其平均晶粒粒徑為22nm，平均比表面積為210.1 m2/g。
[0007]所述鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉末的制備方法包括以下步驟:
O按鎂、鋅、銅離子的摩爾比為1-x:x-y:y稱取乙酸鎂、乙酸鋅和乙酸銅，將其溶解于水中，配成金屬離子混合溶液，其中，0.Οδ^χ^ΞΟ.l，0〈y〈x ;然后向所述金屬離子混合溶液中加入檸檬酸混勻；
2)調(diào)節(jié)步驟I)所得溶液的pH值為2-5，然后蒸發(fā)除去水分，得到凝膠；
3)將步驟2)獲得的凝膠加熱干燥形成干凝膠；
4)將步驟3)獲得的干凝膠進(jìn)行研磨，在氬氣氣氛下進(jìn)行熱處理，得到黑色粉末；
5)將步驟4)獲得的黑色粉末在空氣中進(jìn)行二次熱處理，得到所述鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉末。
[0008]步驟I)中檸檬酸與總金屬離子的摩爾比為1.5-2.5:1。
[0009]步驟4)中熱處理的溫度為600-1000°C，熱處理的時(shí)間為0.5-3小時(shí)。
[0010]步驟5)中二次熱處理的溫度為500-900°C，熱處理時(shí)間為0.5-3小時(shí)。
[0011]本發(fā)明制備鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉末的方法是一種改進(jìn)的溶膠凝膠法。本發(fā)明通過調(diào)整檸檬酸與金屬離子的混合比例，并通過在惰性氣氛中煅燒獲得鋅、銅復(fù)合摻雜的氧化鎂前驅(qū)體和碳模板的混合物，之后通過在空氣中不同溫度下煅燒該混合物去除碳模板并獲得鋅、銅復(fù)合摻雜氧化鎂粉體。同時(shí)，與傳統(tǒng)的溶膠凝膠法直接在空氣中合成產(chǎn)物不同，本發(fā)明首先在惰性氣氛中熱處理干凝膠，使檸檬酸分解形成原位碳模板。本發(fā)明中形成的碳模板有兩個(gè)作用，一是可以起到抑制鋅、銅復(fù)合摻雜氧化鎂材料的晶粒在高溫處理過程中過分長(zhǎng)大；二是后期去除碳模板后可以形成微孔，增加材料的比表面積。
[0012]本發(fā)明制備鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉末的方法，其反應(yīng)物在分子水平上均勻混合，可以制備出晶粒細(xì)小、高表面積的納米材料，且其制備工藝簡(jiǎn)單，制備參數(shù)易于控制，重復(fù)性好，可以規(guī)模化合成。
【具體實(shí)施方式】
[0013]—種鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉體(通式為Mg1 xZnx yCuy0)，其制備方法包括以下步驟:
O按鎂、鋅、銅離子的摩爾比為1-x:x-y:y稱取乙酸鎂、乙酸鋅和乙酸銅，將其溶解于水中，配成金屬離子混合溶液，其中，0.Οδ^χ^ΞΟ.l，0〈y〈x ;然后向所述金屬離子混合溶液中加入檸檬酸混勻，檸檬酸與總金屬離子的摩爾比為1.5-2.5:1 ；
2)調(diào)節(jié)步驟I)所得溶液的pH值為2-5，然后60-70°C蒸發(fā)除去水分，得到凝膠；
3)將步驟2)獲得的凝膠加熱干燥形成干凝膠；
4)將步驟3)獲得的干凝膠進(jìn)行研磨，在氬氣氣氛、600-1000°C下熱處理0.5-3小時(shí)，得到黑色粉末；
5)將步驟4)獲得的黑色粉末在空氣中、500-900°C下二次熱處理0.5-3小時(shí)，從而得到具有不同粒徑、不同比表面積的鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉末，其晶粒粒徑為5-30nm，比表面積為 100~300m2/g。
[0014]為了使本發(fā)明所述的內(nèi)容更加便于理解，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明所述的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明，但是本發(fā)明不僅限于此。
[0015]實(shí)施例1、制備通式符合Mga9ZnaffiCuaff1的鋅銅摻雜氧化鎂納米粉末
按鎂、鋅、銅離子的摩爾比為0.9:0.05:0.05稱取乙酸鎂、乙酸鋅和乙酸銅，將其溶解于水中，不斷攪拌使其充分溶解，配成清澈的金屬離子混合溶液后，向所得金屬離子混合溶液中加入檸檬酸混勻，使檸檬酸與總金屬離子的摩爾比為2.5:1 ;然后用氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為2，70°C下蒸發(fā)除去水分，得到黃色粘稠的凝膠；將所得凝膠移至恒溫烘箱中120°C下加熱6小時(shí)，得到蓬松的干凝膠；將干凝膠在研缽中研細(xì)后，置于管式爐中，在氬氣氣氛中、600°C下煅燒0.5小時(shí)，得到黑色粉末；將獲得的黑色粉末在空氣氣氛中、900°C下煅燒0.5小時(shí)，從而得到通式符合Mga9Zna(]5Cua(]50的鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉末。
[0016]在JEM2010透射電子顯微鏡下觀察所得粉末，其最大晶粒粒徑為25nm，最小晶粒粒徑為5nm，平均晶粒粒徑尺寸為18nm，達(dá)到納米量級(jí)；經(jīng)測(cè)定，粉末的平均比表面積為200.3m2/g。
[0017]取5mg添加2wt%該粉末的高氯酸銨混合物，置于差示掃描量熱儀中進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，與純高氯酸銨對(duì)比，添加了 2wt%該粉末后的高氯酸銨混合物高溫階段的熱分解溫度降低了 100°C，說明其可有效提高高氯酸銨的熱分解性能。
[0018]實(shí)施例2、制備通式符合Mga9Zna(]2Cua(]S0的鋅銅摻雜氧化鎂納米粉末
按鎂、鋅、銅離子的摩爾比為0.9:0.02:0.08稱取乙酸鎂、乙酸鋅和乙酸銅，將其溶解于水中，不斷攪拌使其充分溶解，配成清澈的金屬離子混合溶液后，向所得金屬離子混合溶液中加入檸檬酸混勻，使檸檬酸與總金屬離子的摩爾比為2.5:1 ;然后用氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為2，70°C下蒸發(fā)除去水分，得到黃色粘稠的凝膠；將所得凝膠移至恒溫烘箱中120°C下加熱6小時(shí)，得到蓬松的干凝膠；將干凝膠在研缽中研細(xì)后，置于管式爐中，在氬氣氣氛中、1000°C下煅燒3小時(shí)，得到黑色粉末；將獲得的黑色粉末在空氣氣氛中、900°C下煅燒3小時(shí)，從而得到通式符合Mga9Zna(]2Cua(]S0的鋅銅摻雜的氧化鎂納米粉末。
[0019]在JEM2010透射電子顯微鏡下觀察所得粉末，