氧化石墨烯/石墨烯量子点自组装制备亚稳态分子间复合物及其性能研究

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近二十年来,纳米含能材料由于其在军工业与民用领域的广泛应用受到越来越多的关注,而其中亚稳态分子间复合物,又称纳米超级铝热剂以放热量大、能量释放速率快和安全性高等优点成为含能材料研究中的热点。目前,纳米超级铝热剂的制备方法主要包括:物理混合法、溶胶-凝胶法、抑制反应球磨法、自组装法、喷雾热分解法等。其中,自组装法是最常用的方法。然而,选择合适的媒介用于自组装法仍然是该领域的难点之一。氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)作为石墨烯衍生物,拥有与石墨烯相类似的单原子层结构,不仅具有大的比表面积,同时含有丰富的含氧表面功能团如环氧基、羟基和羧基,具有良好的水相分散性能,有望作为纳米超级铝热剂自组装媒介的候选材料。本文利用不同尺寸GO作为媒介,通过自组装制备纳米超级铝热剂,并研究了温度、组成配比等不同因素对其放热性能的影响。具体包括:(1)通过以纳米铝粉作为金属还原剂,氧化铜(CuO)纳米颗粒作为氧化剂,GO和GQDs(石墨烯量子点)作为自组装媒介制备得到Al/GO/CuO和Al/GQDs/CuO纳米复合物。采用差示扫描量热(DSC)对复合物的放热性能进行研究。结果表明,由二维侧向尺寸更小的GQDs自组装制备得到的Al/GQDs/CuO纳米超级铝热剂表现出优异的放热性能。当复合物的制备温度为30℃,Al:GQDs:CuO的质量比为20:1:90时,体系放热反应速率最快,放热量达到1054 J/g。此外,由于纳米铝粉外层的氧化铝钝化层会降低其反应活性,所以对其进行稀酸处理可减薄钝化层厚度提高活性,由此制得的纳米超级铝热剂的放热量提高至1302 J/g,放热性能得到进一步优化。(2)在上述研究基础上,通过以纳米铝粉作为金属还原剂,氧化铁(Fe2O3)纳米颗粒作为氧化剂,GQDs作为自组装媒介制备得到Al/GQDs/Fe2O3纳米复合物,并采用DSC对纳米超级铝热剂的放热性能进行研究。结果表明,当Al:GQDs:Fe2O3的质量比为20:0.5:60时,体系放热反应速率最快;而当Al:GQDs:Fe2O3的质量比为20:1:60时,体系的放热量达到1804 J/g。因此,GQDs作为自组装媒介的制备方法的确具有普适性,有望在含能材料制备应用领域得到进一步的推广和应用。
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