氮掺杂多孔碳负载赤铁矿分级多孔框架：高性能含能材料催化剂的设计与性能研究

为解决固体推进剂高能量与低敏感性的需求，研究人员通过改进"盐模板法"制备氮掺杂多孔碳(CN)，并原位负载超小赤铁矿(Fe2O3)纳米颗粒，构建分级多孔框架Fe2O3/CN催化剂。该材料使HMX分解峰温降低43.77°C，活化能减少416.62 kJ·mol?1，与铝粉形成的亚稳态分子间复合物(MICs)热释放增加1286.3 J/g，为含能材料(EMs)安全高效应用提供新策略。

　　

在军事和航天领域，固体推进剂的高能量输出与储存安全性始终是矛盾的焦点。环四亚甲基四硝胺(HMX)作为典型高能炸药，虽具有优异爆轰性能，但其高热分解温度(约280°C)和高活化能限制了实际应用。传统赤铁矿(α-Fe₂O₃)催化剂虽能降低HMX分解能垒，但纳米颗粒易团聚导致活性位点减少。更棘手的是，碳载体与金属颗粒的弱相互作用常导致催化活性流失。如何构建兼具高比表面积、稳定活性位点和电子传导能力的复合催化剂，成为突破含能材料(EMs)性能瓶颈的关键。

西安近代化学研究所的研究团队创新性地将氮掺杂多孔碳(CN)与赤铁矿纳米颗粒耦合，通过"盐模板法"与共沉淀技术制备出分级多孔Fe₂O₃/CN催化剂。该材料在《Applied Surface Science》发表的研究显示：当CN浓度达2 mg·mL^?1时，催化剂比表面积高达1207 m²/g，使HMX分解峰温显著提前43.77°C，活化能降低416.62 kJ·mol^{?1>。与铝粉复合形成的亚稳态分子间复合物(MICs)热释放提升1286.3 J/g，燃烧时间延长至2.1 s，为新型固体推进剂设计提供了革命性解决方案。}

研究采用三大关键技术：1) 改进盐模板法(以NaCl/ZnCl₂为双模板剂)合成氮掺杂多孔碳；2) 原位共沉淀负载超小赤铁矿纳米颗粒(<5 nm)；3) 同步热重-红外联用技术(TG/FT-IR)解析HMX催化分解路径。

结构形貌分析
SEM/TEM显示CN呈现多层片状堆叠结构，表面分布多级孔隙。纯Fe₂O₃纳米颗粒存在明显团聚，而Fe₂O₃/CN中颗粒均匀锚定在碳骨架。EDS元素映射证实Fe、O、N、C的均匀分布，XPS分析揭示吡啶氮和石墨氮的存在优化了电子传导网络。

热分解催化性能
DSC测试表明Fe₂O₃/CN₂样品催化效果最优，HMX主放热峰从278.4°C降至234.6°C。TG/FT-IR检测到NO₂、N₂O等气体产物，证实催化剂通过加速N-NO₂键断裂促进分解。动力学分析显示催化体系使表观活化能从547.31 kJ·mol^?1降至130.69 kJ·mol^?1。

纳米铝热剂性能
MICs燃烧测试中，Fe₂O₃/CN的加入使燃烧热从1284.6 J/g提升至2570.9 J/g。高速摄影显示燃烧波传播速度提高3倍，燃烧时间从0.7 s延长至2.1 s，归因于分级孔隙促进燃料/氧化剂接触和氮掺杂碳的电子桥梁作用。

该研究首次证实氮掺杂碳与赤铁矿的协同效应可同时解决含能材料的高敏感性与低能量密度矛盾。Fe₂O₃/CN中吡啶氮提供的孤对电子与Fe³⁺的空轨道形成配位键，既固定活性位点又促进电子转移。所提出的"分级多孔框架-电子传导网络"双功能设计策略，为新一代固体推进剂和微型起爆装置研发开辟了新途径。团队特别指出，该催化剂制备工艺简单、成本低廉，已具备工业化放大潜力，未来或可应用于导弹推进系统和航天器姿态调整推进剂等领域。