CN102190321A - 一种纳米介孔铝酸镁材料及其制备方法 - Google Patents

一种纳米介孔铝酸镁材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米介孔铝酸镁材料及其制备方法。该纳米介孔铝酸镁材料的晶粒大小为3～20nm，比表面积90～300m2/g，最可几孔径为2～10nm。它可按照下述方法制备：(1)以镁盐和硝酸铝为起始原料，将镁盐和硝酸铝溶解于水中，配成符合镁和铝离子的摩尔比为1∶2的金属离子混合溶液。充分混匀后加入柠檬酸，该柠檬酸与金属离子的摩尔比为1.5～2.5∶1，溶液混合后形成络合物，柠檬酸作为络合剂。(2)调节溶液的PH值调至2～5，然后在70～100℃下加热蒸发除去水分至形成凝胶；(3)将步骤(2)得到的凝胶待水分蒸干后，移至恒温烘箱中在120～160℃下加热2～6小时，得到干凝胶；(4)将步骤(3)获得的干凝胶进行研磨后，在N2气氛中，700～900℃下煅烧0.5～3小时，获得黑色粉末；(5)将步骤(4)获得的黑色粉末在空气气氛中，500～900℃下煅烧1～2小时，得到纳米介孔铝酸镁材料。该纳米介孔铝酸镁材料可用作提高固体推进剂性能的催化剂。

Description

一种纳米介孔铝酸镁材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高能固体推进剂领域中的一种纳米介孔铝酸镁材料及其制备方法。
背景技术
高氯酸铵是火箭发动机使用的固体推进剂中常用的高能氧化剂，其热分解特性对固体推进剂的综合性能有重要影响。为了提高固体推进剂的燃速，需降低高氯酸铵的热分解反应温度。为了提高推进剂的能量水平，可以在推进剂配方中加入催化剂，使推进剂燃烧时能释放大量热量的物质，以提高燃烧温度而获得高的比冲和特征速度。目前，纳米材料因粒径小，比表面积大，催化活性高而在固体推进剂的催化领域有重要的应用。金属粉作为一种高能添加剂在固体推进剂中的应用十分广泛，如在固体推进剂中加入铝粉，不仅可以提高固体推进剂的能量，同时可以提高燃烧的稳定性。但这些纳米金属粉的制备过程需要复杂的设备，成本较高。此外，这些金属粉燃烧时，容易熔融凝聚造成固体推进剂不能完全燃烧，导致性能损失。因此，为了提高固体推进剂的综合性能并降低催化剂的生产成本，迫切需要研究开发性能稳定的新型高效纳米催化剂。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米介孔铝酸镁材料及其制备方法。
1、一种纳米介孔铝酸镁材料，晶粒大小为3～20nm，比表面90～300m2/g和介孔结构，最可几孔径为2～10nm。
2、一种项1所述的纳米介孔铝酸镁材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将镁盐和铝盐按照1∶2的摩尔比溶解于水中，配成金属离子混合溶液，然后向所述的金属离子混合溶液中加入柠檬酸，使柠檬酸与金属离子的摩尔比为1.5～2.5∶1；
(2)将步骤(1)得到的溶液的PH值调至2～5，蒸发除去水分得到凝胶；
(3)将步骤(2)获得的凝胶加热干燥形成干凝胶；
(4)将步骤(3)获得的干凝胶进行研磨后，在N2气氛下进行热处理，获得黑色粉末；
(5)将步骤(4)获得的黑色粉末在空气中进行热处理，得到纳米介孔铝酸镁材料。
3、根据项2所述的方法，其特征在于：用于溶解镁盐和铝盐的水最好为去离子水；镁盐为硝酸镁、乙酸镁、氯化镁中的一种或几种；铝盐为硝酸铝。
4、根据项2所述方法，其特征在于：步骤(2)中所述蒸发温度为70～100℃。
5、根据项2所述方法，其特征在于：步骤(3)中的加热温度为120～160℃，热处理时间为2～6小时。
6、根据项2所述方法，其特征在于：步骤(4)中的热处理温度为700～900℃，热处理时间为0.5～3小时。
7、根据项2所述方法，其特征在于：步骤(5)中的热处理温度为500～900℃，热处理时间为1～2小时。
本发明利用溶胶凝胶法的工艺特点，通过优化工艺参数，调整反应物与络合剂比例，通过在惰性气氛中煅烧获得铝酸镁前驱体，之后通过在空气中不同温度下煅烧铝酸镁前驱体获得纳米介孔铝酸镁材料。本发明制备纳米介孔铝酸镁材料的方法，其反应物在分子水平上均匀混合，可以制备出晶粒细小、粒径分布均匀、纯度高、高表面积和介孔结构的铝酸镁产物，制备工艺简单、制备参数易于控制、重复性好等优点，可以规模化合成。
本发明的纳米介孔铝酸镁材料可用作提高固体推进剂性能的催化剂。
附图说明
图1为制备纳米介孔铝酸镁粉体的流程图。
图2为实施例1中纳米介孔铝酸镁粉末的XRD谱。
图3为实施例1中纳米介孔铝酸镁粉末TEM照片。
图4为实施例1中纳米介孔铝酸镁催化分解高氯酸铵的DSC曲线。
具体实施方式
本发明的主要实施如图1所示，包括以下步骤：
(1)以镁盐和硝酸铝为起始原料，将镁盐和硝酸铝溶解于水中，配成符合镁和铝离子的摩尔比为1∶2的金属离子混合溶液。充分混匀后加入柠檬酸，该柠檬酸与金属离子的摩尔比为1.5～2.5∶1，溶液混合后形成络合物，柠檬酸作为络合剂。
(2)调节溶液的PH值调至2～5，然后在70～100℃下加热蒸发除去水分至形成凝胶；
(3)将步骤(2)得到的凝胶待水分蒸干后，移至恒温烘箱中在120～160℃下加热2～6小时，得到干凝胶；
(4)将步骤(3)获得的干凝胶进行研磨后，在N2气氛中，700～900℃下煅烧0.5～3小时，获得黑色粉末；
(5)将步骤(4)获得的黑色粉末在空气气氛中，500～900℃下煅烧1～2小时，得到纳米介孔铝酸镁材料。
以下通过实施例进一步阐明本发明的特点，但不局限于实施例。
下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1：
按镁和铝离子的摩尔比为1∶2的化学计量比，称取硝酸镁和硝酸铝，溶解于去离子水中，不断搅拌使其充分溶解，形成清澈溶液后加入柠檬酸，使柠檬酸与金属离子的摩尔比为1.5∶1，用氨水调节溶液的PH值调至5，然后在70℃下加热蒸发除去水分至形成黄色粘稠凝胶，待凝胶水分蒸干后，移至恒温烘箱中在120℃下加热6小时，得到蓬松黄色干凝胶；将干凝胶在研钵中研细后，置于管式炉中，在N2气氛中，700℃下煅烧3小时，获得黑色粉末；将获得的黑色粉末在空气气氛中，700℃下煅烧2小时，得到白色纳米介孔铝酸镁粉末。其X-射线衍射分析(XRD)图谱如图2，透射电镜(TEM照片)如图3，图2表明其晶相为镁铝尖晶石结构；图3表明粉末大小较均一，平均晶粒粒径为3nm。经氮气物理吸附法测试，粉末的比表面积为200m2/g，最可几粒径为2nm。取5mg添加2wt％该粉末的高氯酸铵混合物，置于差示扫描量热仪中进行分析，催化测试结果如图4所示，可以看出，添加了2wt％该粉末后，将纯高氯酸铵高温阶段的热分解温度降低了90℃，有效提高了高氯酸铵的热分解性能。
实施例2：
按镁和铝离子的摩尔比为1∶2的化学计量比，称取硝酸镁和硝酸铝，溶解于去离子水中，不断搅拌使其充分溶解，形成清澈溶液后加入柠檬酸，使柠檬酸与金属离子的摩尔比为2∶1，用氨水调节溶液的PH值调至2，然后在80℃下加热蒸发除去水分至形成黄色粘稠凝胶，待凝胶水分蒸干后，移至恒温烘箱中在150℃下加热3小时，得到蓬松黄色干凝胶；将干凝胶在研钵中研细后，置于管式炉中，在N2气氛中，800℃下煅烧0.5小时，获得黑色粉末；将获得的黑色粉末在空气气氛中，600℃下煅烧1小时，得到白色纳米介孔铝酸镁粉末。其X-射线衍射分析结果表明其晶相为镁铝尖晶石结构；透射电镜分析结果表明，粉末大小较均一，平均晶粒粒径为5nm。经氮气物理吸附法测试，粉末的比表面积为250m2/g，最可几粒径为3nm。取5mg添加2wt％该粉末的高氯酸铵混合物，置于差示扫描量热仪中进行分析，结果表明添加了2wt％该粉末后，将纯高氯酸铵高温阶段的热分解温度降低了100℃，有效提高了高氯酸铵的热分解性能。
实施例3：
按镁和铝离子的摩尔比为1∶2的化学计量比，称取乙酸镁和硝酸铝，溶解于去离子水中，不断搅拌使其充分溶解，形成清澈溶液后加入柠檬酸，使柠檬酸与金属离子的摩尔比为2.5∶1，用氨水调节溶液的PH值调至3，然后在100℃下加热蒸发除去水分至形成黄色粘稠凝胶，待凝胶水分蒸干后，移至恒温烘箱中在160℃下加热2小时，得到蓬松黄色干凝胶；将干凝胶在研钵中研细后，置于管式炉中，在N2气氛中，900℃下煅烧0.5小时，获得黑色粉末；将获得的黑色粉末在空气气氛中，500℃下煅烧2小时，得到白色纳米介孔铝酸镁粉末。其X-射线衍射分析结果表明其晶相为镁铝尖晶石结构；透射电镜分析结果表明，粉末大小较均一，平均晶粒粒径为7nm。经氮气物理吸附法测试，粉末的比表面积为300m2/g，最可几粒径为3nm。取5mg添加2wt％该粉末的高氯酸铵混合物，置于差示扫描量热仪中进行分析，结果表明添加了2wt％该粉末后，将纯高氯酸铵高温阶段的热分解温度降低了120℃，有效提高了高氯酸铵的热分解性能。
实施例4：
按镁和铝离子的摩尔比为1∶2的化学计量比，称取氯化镁和硝酸铝，溶解于去离子水中，不断搅拌使其充分溶解，形成清澈溶液后加入柠檬酸，使柠檬酸与金属离子的摩尔比为1.5∶1，用氨水调节溶液的PH值调至4，然后在90℃下加热蒸发除去水分至形成黄色粘稠凝胶，待凝胶水分蒸干后，移至恒温烘箱中在120℃下加热6小时，得到蓬松黄色干凝胶；将干凝胶在研钵中研细后，置于管式炉中，在N2气氛中，800℃下煅烧3小时，获得黑色粉末；将获得的黑色粉末在空气气氛中，900℃下煅烧2小时，得到白色纳米介孔铝酸镁粉末。其X-射线衍射分析结果表明其晶相为镁铝尖晶石结构；透射电镜分析结果表明，粉末大小较均一，平均晶粒粒径为20nm。经氮气物理吸附法测试，粉末的比表面积为90m2/g，最可几粒径为10nm。取5mg添加2wt％该粉末的高氯酸铵混合物，置于差示扫描量热仪中进行分析，结果表明添加了2wt％该粉末后，将纯高氯酸铵高温阶段的热分解温度降低了60℃，有效提高了高氯酸铵的热分解性能。
实施例5：
按镁和铝离子的摩尔比为1∶2的化学计量比，称取乙酸镁和硝酸铝，溶解于去离子水中，不断搅拌使其充分溶解，形成清澈溶液后加入柠檬酸，使柠檬酸与金属离子的摩尔比为2.5∶1，用氨水调节溶液的PH值调至3，然后在80℃下加热蒸发除去水分至形成黄色粘稠凝胶，待凝胶水分蒸干后，移至恒温烘箱中在150℃下加热3小时，得到蓬松黄色干凝胶；将干凝胶在研钵中研细后，置于管式炉中，在N2气氛中，800℃下煅烧1小时，获得黑色粉末；将获得的黑色粉末在空气气氛中，600℃下煅烧1小时，得到白色纳米介孔铝酸镁粉末。其X-射线衍射分析结果表明其晶相为镁铝尖晶石结构；透射电镜分析结果表明，粉末大小较均一，平均晶粒粒径为12nm。经氮气物理吸附法测试，粉末的比表面积为150m2/g，最可几粒径为6nm。取5mg添加2wt％该粉末的高氯酸铵混合物，置于差示扫描量热仪中进行分析，结果表明添加了2wt％该粉末后，将纯高氯酸铵高温阶段的热分解温度降低了80℃，有效提高了高氯酸铵的热分解性能。
实施例6：
按镁和铝离子的摩尔比为1∶2的化学计量比，称取硝酸镁和硝酸铝，溶解于去离子水中，不断搅拌使其充分溶解，形成清澈溶液后加入柠檬酸，使柠檬酸与金属离子的摩尔比为1.5∶1，用氨水调节溶液的PH值调至2，然后在70℃下加热蒸发除去水分至形成黄色粘稠凝胶，待凝胶水分蒸干后，移至恒温烘箱中在130℃下加热2小时，得到蓬松黄色干凝胶；将干凝胶在研钵中研细后，置于管式炉中，在N2气氛中，800℃下煅烧2小时，获得黑色粉末；将获得的黑色粉末在空气气氛中，900℃下煅烧1小时，得到白色纳米介孔铝酸镁粉末。其X-射线衍射分析结果表明其晶相为镁铝尖晶石结构；透射电镜分析结果表明，粉末大小较均一，平均晶粒粒径为16nm。经氮气物理吸附法测试，粉末的比表面积为120m2/g，最可几粒径为8nm。取5mg添加2wt％该粉末的高氯酸铵混合物，置于差示扫描量热仪中进行分析，结果表明添加了2wt％该粉末后，将纯高氯酸铵高温阶段的热分解温度降低了50℃，有效提高了高氯酸铵的热分解性能。

Claims (7)

1.一种纳米介孔铝酸镁材料，晶粒大小为3～20nm，比表面90～300m2/g和介孔结构最可几孔径为2～10nm。
2.一种权利要求1所述的纳米介孔铝酸镁材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将镁盐和铝盐按照1∶2的摩尔比溶解于水中，配成金属离子混合溶液，然后向所述的金属离子混合溶液中加入柠檬酸，使柠檬酸与金属离子的摩尔比为1.5～2.5∶1；
(2)将步骤(1)得到的溶液的PH值调至2～5，蒸发除去水分得到凝胶；
(3)将步骤(2)获得的凝胶加热干燥形成干凝胶；
(4)将步骤(3)获得的干凝胶进行研磨后，在N2气氛下进行热处理，获得黑色粉末；
(5)将步骤(4)获得的黑色粉末在空气中进行热处理，得到纳米介孔铝酸镁材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(1)中所使用的镁盐为硝酸镁、乙酸镁、氯化镁中的一种或几种；铝盐为硝酸铝；用于溶解镁盐和铝盐的水为去离子水；
4.根据权利要求2所述方法，其特征在于：步骤(2)中所述蒸发温度为70～100℃。
5.根据权利要求2所述方法，其特征在于：步骤(3)中的加热温度为120～160℃，热处理时间为2～6小时。
6.根据权利要求2所述方法，其特征在于：步骤(4)中的热处理温度为700～900℃，热处理时间为0.5～3小时。
7.根据权利要求2所述方法，其特征在于：步骤(5)中的热处理温度为500～900℃，热处理时间为1～2小时。
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