一种镍基氮化物纳米燃烧催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种镍基氮化物纳米燃烧催化剂及其制备方法，该镍基氮化物纳米燃烧催化剂包括Ni3N纳米燃烧催化剂、O掺杂Ni3N纳米燃烧催化剂以及钼、钒或铬掺杂Ni3N纳米燃烧催化剂；镍基氮化物纳米燃烧催化剂是采用高温氮化NiO纳米片的前驱体制备实现的，NiO纳米片是通过水热合成结合高温退火方法制备的，氧氮比的调节的通过改变氮化温度实现的，双金属结构是通过在水热反应溶液中引入其他过渡金属前驱体实现的。本发明专利技术相比于传统的氧化镍，有助于提高催化剂活性，能够更好地匹配HATO的能级结构，实现高效催化分解。实现高效催化分解。

【技术实现步骤摘要】
一种镍基氮化物纳米燃烧催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于固体推进剂领域，涉及燃烧催化剂，具体涉及一种镍基氮化物纳米燃烧催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]提高安全性是固体推进剂技术发展的必然需求。采用5,5'
‑
联四唑
‑
1,1'
‑
二氧二羟胺盐(HATO)取代黑索今或奥克托今，是提高推进剂安全性的有效途径。然而，HATO的引入在显著改善推进剂安全性能的同时也导致推进剂的燃烧性能恶化，燃速压强指数大幅提高，进而造成发动机工作过程中发生解体爆炸。这已成为制约该类固体推进剂实现应用的关键瓶颈问题。
[0003]使用燃烧催化剂是调节与改善推进剂燃烧性能最常用的方法，可实现在较宽压强范围内对推进剂的燃速及燃速压力指数进行可控调节。然而，随着固体火箭推进剂进一步向着高能、燃气清洁以及燃烧可控的方向发展，现有燃烧催化剂的催化效率已难以满足高性能固体推进剂需求，亟需发展新的具有高活性、高选择性燃烧催化材料体系。
[0004]通常，燃烧催化剂的催化活性与其几何结构和电子结构有关，它涉及含能分子的活化以及参与催化反应的反应中间体的吸附。对于过渡金属来说，含能分子催化分解的中间物种的吸附强度取决于过渡金属的d带中心。Ni具有可变的化合价态，这使得Ni可以通过与碳、氮、氧等不同的电负性元素配位来调控其电子结构。因此，只要将Ni的d带中心调整到合理的位置，就可以将Ni调节到高活性的燃烧催化活性位点。
[0005]改变金属的配位环境是调控活性金属中心电子结构的有效方法。对于含能分子而来，其结构中往往还有氮元素。因此，在催化剂中引入氮元素能够提高催化活性中心对含能分子的吸附能力。在此基础上，通过调节配位原子中的氧氮比能够有效调控Ni的d带中心位置，从而提高其催化活性。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种镍基氮化物纳米燃烧催化剂及其制备方法，该类催化剂利用不同过渡金属与Ni的d能带间的能量差异以及配位环境对Ni的d带结构的影响，通过调节氮氧比以及界面极化效应，使镍基氮化物的价带结构移动，从而调控金属氮化物用于燃烧催化的性能，实现了对HATO等典型含能分子的高效催化分解。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
[0008]一种镍基氮化物纳米燃烧催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1，将原料镍盐、尿素和NH4F混合进行水热反应，水热反应温度为120℃，反应时间为9h；冷却至室温后离心分离，并用去离子水和乙醇清洗离心沉淀物，各三遍，随后在60℃真空烘箱中干燥12h以上，得到绿色粉末状产物；
[0010]步骤2，将步骤1中得到的产物在氩气氛围中退火2小时，得到前驱体；
[0011]步骤3，将步骤2制备的前驱体在氨气氛围中氮化，得到镍基氮化物纳米燃烧催化剂。
[0012]本专利技术还包括如下技术特征：
[0013]具体的，所述步骤1中的镍盐为硝酸镍、醋酸镍和乙酰丙酮镍中的一种。
[0014]具体的，所述镍盐、尿素以及NH4F的摩尔比为1：(2～5)：(1～3)。
[0015]具体的，所述步骤2中的退火温度为300～650℃，氩气流速为100～300mL/min。
[0016]具体的，所述步骤3中的氮化温度为350～600℃，氮化时间为2h，氨气流速为80～180mL/min，此时制备得到的镍基氮化物纳米燃烧催化剂为Ni3N纳米燃烧催化剂。
[0017]具体的，所述步骤3中的氮化温度为350℃，氮化时间为1.5h，氨气流速为80～180mL/min，此时制备得到的镍基氮化物纳米燃烧催化剂为O掺杂Ni3N纳米燃烧催化剂。
[0018]具体的，所述步骤1中，水热反应的原料还包括过渡金属前驱体，过渡金属前驱体为钼酸盐、钒酸盐和铬酸盐中的一种，根据权利要求2所述的步骤制备得到的镍基氮化物纳米燃烧催化剂为钼、钒或铬掺杂Ni3N纳米燃烧催化剂。
[0019]具体的，所述步骤1水热反应的原料中，镍盐、过渡金属前驱体、尿素以及NH4F的摩尔比为1：0.1：(2～5)：(1～3)。
[0020]具体的，所述步骤2中的退火温度为300～650℃，氩气流速为100～300mL/min；所述步骤3中的氮化温度为350～600℃，氮化时间为2h，氨气流速为80～180mL/min。
[0021]一种镍基氮化物纳米燃烧催化剂，采用所述的镍基氮化物纳米燃烧催化剂的制备方法制备得到。
[0022]本专利技术与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0023](1)本专利技术通过对镍的氧化物进行高温氮化处理，获得钴的氮化物，相比于传统的氧化镍，氮所具有的未成对电子能够提供更多的未占据d轨道，有助于提高催化剂活性。
[0024](2)本专利技术通过对Ni3N进行掺杂实现了对d轨道能量的有效调控，能够更好地匹配HATO的能级结构，实现高效催化分解。
[0025](3)本专利技术提出的镍基氮化物制备方法简单，原材料获取容易，易于放大制备，有利于实现工程应用。
附图说明
[0026]图1为Ni3N的电镜照片及XRD花样；
[0027]图2为O掺杂Ni3N的电镜照片及XRD花样；
[0028]图3为Mo掺杂Ni3N的电镜照片及XRD花样；
[0029]图4为镍基氮化物以及商用氧化镍与HATO混合后的DSC曲线。
具体实施方式
[0030]本专利技术提供一种镍基氮化物纳米燃烧催化剂及其制备方法，该镍基氮化物纳米燃烧催化剂包括Ni3N纳米燃烧催化剂、O掺杂Ni3N纳米燃烧催化剂以及钼、钒或铬掺杂Ni3N纳米燃烧催化剂；镍基氮化物纳米燃烧催化剂是采用高温氮化NiO纳米片的前驱体制备实现的，NiO纳米片是通过水热合成结合高温退火方法制备的，氧氮比的调节的通过改变氮化温度实现的，双金属结构是通过在水热反应溶液中引入其他过渡金属前驱体实现的。具体的，
该制备方法包括以下步骤：
[0031]步骤1，Ni(OH)2纳米片前驱体的制备：
[0032]采用水热法制备Ni(OH)2纳米片，水热法的原料包括镍盐、尿素和NH4F，水热反应温度为120℃，反应时间为9h；冷却至室温后离心分离，并用去离子水和乙醇清洗离心沉淀物，各三遍，随后在60℃真空烘箱中干燥12h以上，得到绿色粉末状产物Ni(OH)2纳米片；步骤1中的镍盐为硝酸镍、醋酸镍和乙酰丙酮镍中的一种，含量为0.5～2mmol；
[0033]步骤2，NiO纳米片前驱体的制备：
[0034]将步骤1中得到的Ni(OH)2纳米片在氩气氛围中退火2小时，得到NiO前驱体；
[0035]步骤3，NiO纳米片前驱体的高温氮化：
[0036]将步骤2制备的NiO前驱体在氨气氛围中氮化，得到镍基氮化物纳米燃烧催化剂。
[0037]当制备Ni3N纳米燃烧催化剂时，步骤1中的镍盐、尿素本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍基氮化物纳米燃烧催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将原料镍盐、尿素和NH4F混合进行水热反应，水热反应温度为120℃，反应时间为9h；冷却至室温后离心分离，并用去离子水和乙醇清洗离心沉淀物，各三遍，随后在60℃真空烘箱中干燥12h以上，得到绿色粉末状产物；步骤2，将步骤1中得到的产物在氩气氛围中退火2小时，得到前驱体；步骤3，将步骤2制备的前驱体在氨气氛围中氮化，得到镍基氮化物纳米燃烧催化剂。2.如权利要求1所述的镍基氮化物纳米燃烧催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的镍盐为硝酸镍、醋酸镍和乙酰丙酮镍中的一种。3.如权利要求2所述的镍基氮化物纳米燃烧催化剂的制备方法，其特征在于，所述镍盐、尿素以及NH4F的摩尔比为1：(2～5)：(1～3)。4.如权利要求3所述的镍基氮化物纳米燃烧催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的退火温度为300～650℃，氩气流速为100～300mL/min。5.如权利要求4所述的镍基氮化物纳米燃烧催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤3中的氮化温度为350～600℃，氮化时间为2h，氨气流速为80～180mL/min，此时制备得到的镍基氮化物纳米燃烧催化剂为Ni3N纳米燃烧催化剂。...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲文刚，赵凤起，牛诗尧，肖立柏，任晓宁，高红旭，
申请(专利权)人：西安近代化学研究所，
类型：发明
国别省市：