西安近代化学研究所赵凤起课题组: 纳米Fe2O3形貌对TKX-50热分解反应催化活性的影响

第一作者：张明

通讯作者：赵凤起

通讯单位：西安近代化学研究所

注：此文章是“热分析动力学和热动力学”特刊邀请稿，客座编辑：河南师范大学王键吉教授，河北师范大学张建军研究员。

引用信息

张明, 赵凤起, 杨燕京, 李辉, 张建侃, 马文喆, 高红旭, 李娜. 两种形貌纳米Fe₂O₃

对TKX-50热分解的催化性能研究 [J].  物理化学学报, 2020, 36(6): 1904027.

doi: 10.3866/PKU.WHXB201904027

Ming Zhang, Fengqi Zhao, Yanjing Yang, Hui Li, Jiankan Zhang, Wenzhe Ma, Hongxu Gao, Na Li. Shape-Dependent Catalytic Activity of Nano-Fe₂O₃ on the Thermal Decomposition of TKX-50 [J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(6): 1904027.

doi: 10.3866/PKU.WHXB201904027

主要亮点：

研究了管状和球形Fe₂O₃对TKX-50热分解的催化性能，并通过等转化率法计算了热分解活化能。结果表明，两种形貌的Fe₂O₃均可有效促进TKX-50热分解，而管状Fe₂O₃的催化效果更佳，可显著降低TKX-50的分解峰温和活化能。管状Fe₂O₃更好的催化性能来自于其中空结构可提供更多的催化活性位点，有助于TKX-50的热分解。

研究背景：意义、现状

1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐（TKX-50）作为一种高能钝感的材料，不仅可以改善固体推进剂的能量和安全特性，而且可以避免高氯酸铵（AP）引起的设备腐蚀和环境污染。然而，目前的研究大多集中于AP，对TKX-50基推进剂的热分解和燃烧性能的研究较少。固体火箭推进剂中的能量组分有助于提高推进剂的能量性能，其热分解特性将显著影响推进剂的燃烧性能。燃烧催化剂是固体推进剂的重要组成部分，少量添加即可显著促进含能化合物的热分解，进而影响推进剂的燃烧性能。纳米Fe₂O₃对AP、TKX-50等含能离子盐的热分解具有优异的催化活性，但不同微观结构的Fe₂O₃对TKX-50热分解的催化性能未见报道，亟需开展相应的研究。

核心内容

1.   TKX-50的热分解性能

通过DSC研究了球形和管状Fe₂O₃样品对TKX-50热分解的催化性能，结果如图1所示。TKX-50的DSC曲线在509.9 K和533.9 K出现两个放热分解峰， 而与球形和管状Fe₂O₃混合后，低温（T_FDP）和高温热分解峰温（T_SDP）明显降低。在10 K·min⁻¹的升温速率下，TKX-50+Fe₂O₃（球形）和TKX-50+Fe₂O₃（管状）样品的T_FDP（T_SDP）比原始TKX-50样品降低了26.3 K（30.1 K）和36.5 K（40.9 K）。管状Fe₂O₃的中空结构使其具有更为优异的催化活性，归因于其可提供更多的活性中心助于TKX-50热分解。

图1 不同升温速率下TKX-50的DSC曲线

2.   TKX-50的分解表观活化能

采用迭代Kissinger和Ozawa的方法，利用DSC数据计算了与Fe₂O₃混合前后TKX-50热分解的表观活化能（E_a），结果如图2所示。两种方法计算的结果较好的吻合，说明了计算结果的可靠性。球形和管状Fe₂O₃均可有效降低TKX-50的E_a，且管状Fe₂O₃的作用更显著，证实了管状Fe₂O₃更为优异的催化活性。

图2 由非等温法计算得到的TKX-50的分解表观活化能

研究背景：意义、现状

通过溶剂热法可成功制备实心球和中空管状Fe₂O₃，通过DSC和TG-DTG研究了不同微观结构的Fe₂O₃对TKX-50热分解的催化行为。SEM和TEM结果表明管状氧化铁的平均直径为120 nm，长约200 nm。DSC和TG-DTG结果表明管状Fe₂O₃对TKX-50热分解表现出更为优异的催化活性。实心球和中空管状Fe₂O₃可使TKX-50的低温分解峰温分别降低26.3 和36.5 K。此外，动力学计算结果也表明Fe₂O₃的添加可显著降低TKX-50热分解的表观活化能，且管状Fe₂O₃的效果更佳。管状Fe₂O₃更为优异的催化活性可归因于其中空结构，可提供更多的催化活性位点供TKX-50热分解。本文的研究有助于优化含TKX-50的高能钝感推进剂的配方设计以及催化机理的探究。

☎作者介绍

 赵 凤 起 

1963年生，博士、研究员、博士生导师，中国兵器首席科学家，火炸药燃烧国防科技重点实验室学术委员会主任，研究方向为固体推进剂设计、燃烧理论及热分析化学。近年来，荣获省部级科技进步奖十余项；共授权国家/国防发明专利40余项；出版论著10部，发表学术论文800余篇；培养博士后、博士研究生和硕士研究生40余人。

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原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201904027