通过化学方法合成的CoxTiyOz纳米催化剂来调控复合固体推进剂的燃烧过程

《CrystEngComm》：Tailoring combustion of composite solid propellants by CoxTiyOz nano-catalysts synthesized from a chemical route

钴钛氧化物纳米催化剂的合成及其催化铵 perchlorate 热分解和燃烧性能研究，发现不同 Co:Ti 比例（4:1、2:1、1:1、1:2）导致颗粒形貌（片状、棒状、颗粒状）和物相（Co3O4、TiO2、CoTi2O5）差异，显著降低 AP 热分解峰值温度（最大降低 118.10℃），其中 Co_xTi_yO_z-2（2:1）在燃烧中点火延迟最短（84ms），火焰结构最优化。

　　

通过液相沉淀和高温煅烧合成了具有不同元素组成的二元金属氧化物颗粒 Co_xTi_yO_z。研究了元素含量的差异对颗粒的形态、晶体结构以及对高氯酸铵（AP）热分解催化作用的影响。同时，利用激光点火和高速摄像机研究了 Co_xTi_yO_z 对 AP + Al 复合燃料点火和燃烧过程的影响。结果表明：当 Co∶Ti 比率为 4∶1 时，颗粒呈片状，直径约为 250 nm，厚度约为 15 nm，并表现出聚集现象；当比率为 2∶1 时，大多数煅烧后的颗粒仍为片状，但也有少量棒状和颗粒状形态；片状颗粒的直径约为 250 nm，棒状颗粒的直径超过 600 nm，长度达到微米级别，而颗粒状颗粒的直径约为 100 nm；当比率为 1∶1 时，主要形态为棒状，表面附着一些较小的颗粒；棒状颗粒的直径接近 1 微米，附着的颗粒直径在 100 至 400 nm 之间；当比率为 1∶2 时，颗粒主要为较粗的棒状，直径超过 3 微米，表面附着细小颗粒。Co_xTi_yO_z-1 粉末（Co∶Ti 原子比为 4∶1）的主要相为 Co₃O₄。在 Co_xTi_yO_z-2、Co_xTi_yO_z-3 和 Co_xTi_yO_z-4 中（Co∶Ti 比率分别为 2∶1、1∶1 和 1∶2），颗粒包含 Co₃O₄、TiO₂ 和 CoTi₂O₅，其中 Co₃O₄ 形成片状颗粒，TiO₂ 形成棒状颗粒，CoTi₂O₅ 形成球状颗粒。使用 Co_xTi_yO_z 作为催化剂时，AP 热分解的热释放峰值温度分别降至 334.92 °C、325.19 °C、336.08 °C 和 356.89 °C，相比纯 AP 热分解分别降低了 118.10 °C、127.83 °C、116.94 °C 和 96.13 °C。Co_xTi_yO_z-1、Co_xTi_yO_z-2、Co_xTi_yO_z-3 和 Co_xTi_yO_z-4 催化的 AP 总热释放量分别为 1152.53 J g^-1、1118.60 J g^-1、1070.60 J g^-1 和 1136.76 J g^{-1%。对于 Co_xTi_yO_z 催化的样品，快速失重阶段分别在 340.11 °C、331.19 °C、342.28 °C 和 367.39 °C 结束，总失重率分别为 98.22%、98.55%、98.47% 和 98.49%。AP 在 334.92 °C、325.59 °C、336.71 °C 和 355.32 °C 时的分解速率最高，分别为 15% min-1、14% min-1、13% min-1 和 13% min-1。Co_xTi_yO_z-2 + AP + Al 复合燃料的燃烧过程可分为五个阶段：点火、着火、稳定燃烧、衰减和熄灭。随着 Co_xTi_yO_z-2 颗粒在混合物中的含量从 0.5 wt% 增加到 1 wt% 再到 2 wt%，点火延迟时间分别为 128 ms、97 ms 和 84 ms。当 Co_xTi_yO_z-2 含量为 0.5 wt% 时，稳定燃烧阶段的火焰面积没有显著变化；当含量增加到 1 wt% 时，火焰面积显著增大并呈现明显的喷射状结构；当含量达到 2 wt% 时，火焰面积不再增加。在所有复合氧化物颗粒中，Co_xTi_yO_z-2 对 AP 的催化性能最为优异。}