專利名稱：一種Bi₂O₃/氧化石墨烯復合粉體及其制備方法
技術領域：
本發明涉及的是一種Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體及其制備方法。Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體可作為雙基系推進劑的環境友好型燃燒催化劑。
背景技術：
雙基推進劑和改性雙基推進劑是火箭和導彈所用的一類高能燃料，實際使用時需要加入燃燒催化劑來改善其燃燒性能。雙基系推進劑中使用的燃速催化劑主要是鉛化合物，鉛化合物的加入，可提高雙基推進劑的燃速，還可降低壓強指數。由于復合催化劑的催化性能比單元催化劑更好，因為組成復合催化劑的各種組分的催化性能可以“互補”，從而產生“協同效應”，其催化效果優于單一成分的單元催化劑，因此常采用以鉛化合物為主催化劑組成的復合催化劑。在鉛化合物中加入少量的炭黑作助催化劑組成“鉛-碳”體系的二元復合燃燒催化劑，其催化效果要顯著高于鉛化合物。在這“鉛-碳”體系的二元復合催·化劑中，鉛化合物是主催化劑，碳黑是不可缺少的助催化劑。但是，鉛化合物對人體具有毒性，在實驗、制備、使用以及藥柱處理和火箭發動機排氣等環節給工作人員和環境留下直接和間接的危害。因此，開發無毒或低毒性、無污染的燃速催化劑成為新的課題。氧化石墨烯是二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質新材料，具有巨大的理論比表面積和較好的電子傳導能力，具有優異導熱性和結構穩定性，且其表面又存在活潑的含氧官能團，使其具有獨特的催化性能和吸附性質，既是一種特殊的催化劑，又是一種優良的催化劑載體。作為催化劑載體，可將無毒性或低毒性金屬化合物與氧化石墨烯復合可制備成環境友好型復合催化劑。氧化石墨烯起著催化劑和載體的雙重作用，催化劑以納米粒子形式高度分散在氧化石墨烯表面上，氧化石墨烯作為載體，可阻止金屬氧化物納米粒子間的相互團聚，這樣納米金屬氧化物催化劑就可充分發揮納米粒子的高效催化作用。同時氧化石墨烯具有一定的導電性能和導熱性能，對所負載的金屬催化劑的電子具有改性作用，可以加速反應過程中電子的轉移和熱的傳遞，增加催化效果。可見，用氧化石墨烯取代炭黑，將起到更加優異的助催化作用。鉍是一種無毒的元素，金屬鉍及鉍化合物對雙基系推進劑的燃燒有較好的催化作用。鉍化合物對的催化作用雖然比鉛化合物低一些，但比其它金屬化合物要高。因此，人們對發展鉍系燃燒催化劑給予了很大的關注，并取得一些進展，但是仍然有待突破。用鉍化合物取代鉛化合物，用氧化石墨烯取代炭黑，組成新型的“鉍-碳”體系二元催化劑，同時引進納米技術，將Bi2O3負載在氧化石墨烯表面，Bi2O3與氧化石墨烯在納米尺度上復合，它們的催化性能可更好地“互補”，產生強的“協同效應”，可顯著提高其催化效果，并可通過改變Bi2O3的含量來優化催化性能。因此，開發Bi2O3/氧化石墨烯負載型復合燃速催化劑可為固體推進劑提供環境友好型的高效燃燒催化劑。

發明內容
本發明的目的是針對上述問題，提供一種用作雙基或改性雙基推進劑的燃燒催化劑的Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體。本發明的另一個目的是提供Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體的制備方法。本發明提供一種Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體，其組分為=Bi2O3和氧化石墨烯，各種組分的含量按質量百分比計算為=Bi2O3 50 80%，氧化石墨烯20 50% ；Bi203負載在氧化石墨烯表面上形成負載型復合粉體材料。所述Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體中所用的氧化石墨烯的厚度為I 6nm，負載在氧化石墨烯表面的Bi2O3粒子的粒徑為10 50nm。本發明的Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體的制備方法，按以下步驟進行(1)將可溶性鉍鹽溶于蒸餾水中配制成透明溶液；(2)將氧化石墨烯溶于水中并超聲分散，加入適量的聚乙二醇400，攪拌分散均勻，然后加入鉍鹽溶液，在室溫下攪拌I 2小時；(3)在攪拌下 滴加堿溶液，調節溶液的pH值至9 10，在室溫下攪拌I小時，然后在80 90°C恒溫攪拌 I小時；⑷抽濾、洗滌、干燥；(5)在氮氣保護下，300 400°C煅燒2小時，即可制得Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體。所述所用堿溶液為Na0H、K0H、氨水。所述的所用可溶性鉍鹽為硝酸鉍。本發明的Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體在雙基系推進劑中作為環境友好型燃燒催化劑的用途，其對雙基系推進劑燃燒具有很好的催化效果，無毒，無污染。


圖I為實施案例I后得到的氧化石墨烯和Bi2O3/氧化石墨烯的X射線衍射譜圖(XRD)，a為氧化石墨烯的XRD譜圖；b為Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體的XRD譜圖，圖Ib出現的特征衍射峰與PDF卡片對照負載物為單斜晶系三氧化二鉍(PDF卡片65-1209)。圖2為實施案例I后得到的Bi2O3/氧化石墨烯的透射電鏡照片，從透射電鏡照片中可以看出，氧化石墨烯為很薄的透明片狀物，厚度約lnm。負載在氧化石墨烯表面的納米Bi2O3為球形粒子，平均粒徑約40nm。圖3為實施案例I后得到的Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體的EDS能譜圖，EDS譜出現C、O、Bi等三種元素，說明產物僅含有C、O、Bi、三種元素。圖4為實施案例3后得到的雙基推進劑的燃速曲線，從圖4可以看出，加入3. 0%的Bi2O3/氧化石墨烯使雙基推進劑出現顯著的超速燃燒，在4MPa壓強下，含催化劑的推進劑的燃速從3. 19mm · s—1提高到7. 63mm · s—1，提高了 139% ;在4 17MPa該催化劑的催化效率Z(Z = !■。/!■。，!■。為空白配方的燃速土為含催化劑的推進劑燃速)為2. 39、2. 05、I. 96、
I.88、I. 78、I. 77、I. 75。同時還能顯著降低壓強指數，在14 20MPa范圍內出現平臺燃燒區，壓強指數為O. 253。
具體實施例方式本發明Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體燃燒催化劑的具體制備方法由以下實施例詳細給出。實施例I(I)稱取I. 32g的五水硝酸鉍于燒杯中，加入50ml I. Omol/L硝酸溶液，制得混合溶液，待用。(2)稱取O. 2g經氧化石墨烯，加入200mL去離子水，超聲分散，加入5mL聚乙二醇400，攪拌混合均勻，然后加入鉍鹽溶液，在室溫下恒溫攪拌I小時。(3)在攪拌下滴入2mol/L氫氧化鈉溶液至pH值為9. 1，在室溫下攪拌I小時，然后轉移至水浴鍋中在85°C下恒溫攪拌I小時；抽濾，分別用蒸餾水、乙醇加超聲波對產物洗滌2次和I次，60°C下干燥，在氮氣保護下，400°C灼燒2小時，即可制得Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體。用原子光譜分析得產物中Bi元素的含量按重量百分比計算為67. 5% ;折算得到含 Bi2O3 為75. 3%。實施例2(I)稱取O. 80g的五水硝酸于燒杯中，加入50ml I. Omol/L硝酸,超聲溶解,制得混·合溶液，待用。(2)稱取0.2g氧化石墨烯，加入200mL去離子水，超聲分散，加入5mL聚乙二醇400，攪拌混合均勻；然后加入鉍鹽和銅鹽的混合溶液，在室溫下恒溫攪拌I小時；在攪拌下滴入lmol/L氫氧化鈉至pH值為9. 3，然后室溫攪拌I小時；轉移至水浴鍋中，在85°C下恒溫攪拌lh。冷卻，抽濾，分別用蒸餾水、乙醇加超聲波對產物洗滌2次和I次，60°C下干燥，在氮氣保護下，400°C灼燒2小時，即可制得Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體。用原子光譜分析得產物中Bi元素的含量按重量百分比計算為57.8% ;折算得到含Bi2O3為64. 4%。實施例3Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體的催化作用性能實驗所用的雙基推進劑的基礎配方為硝化棉(NC，12.0% N) 59%，硝化甘油(NG) 30%，鄰苯二甲酸二乙酯(DEP) 8. 5%，其它助劑2. 5%。藥料按500g配料，燃燒催化劑Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體為外加量，加入量為
3.0%;對照空白推進劑樣品不含燃燒催化劑。樣品按吸收-驅水-放熟-壓延-切成藥條的常規無溶劑壓伸成型工藝制備。燃速的測定采用靶線法。燃速測試的試驗溫度為20°C，壓強范圍2MPa 20MPa。
權利要求
1.一種Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體，其特征為=Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體的組分為Bi2O3和氧化石墨烯，各種組分的含量按質量百分比計算為=Bi2O3 50 80%，氧化石墨烯20 50% ；Bi203負載在氧化石墨烯表面上形成負載型復合粉體材料。
2.根據權利要求I所述的Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體，其特征在于所用的氧化石墨烯的厚度為I 6nm，負載在氧化石墨烯表面的Bi2O3粒子的粒徑為10 50nm。
3.權利要求I或2所述Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體的制備方法，按以下步驟進行 (1)將可溶性鉍鹽溶于蒸餾水中配制成透明溶液； (2)將氧化石墨烯溶于水中并超聲分散，加入適量的聚乙二醇400，攪拌分散均勻，然后加入秘鹽溶液，在室溫下攬祥I 2小時； (3)在攪拌下滴加堿溶液，調節溶液的pH值至9 10，在室溫下攪拌I小時，然后在80 90°C恒溫攪拌I小時； (4)抽濾、洗滌、干燥； (5)在氮氣保護下，300 400°C煅燒2小時，即可制得Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體。
4.根據權利要求3所述Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體的制備方法，其特征在于所用堿溶液為NaOH、Κ0Η、氨水。
5.根據權利要求3所述Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體的制備方法，其特征在于所用可溶性鉍鹽為硝酸鉍。
6.根據權利要求I所述Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體在雙基系推進劑中作為環境友好型燃燒催化劑的用途。
全文摘要
本發明公開了一種Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體及其制備方法，Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體的組分為Bi2O3和氧化石墨烯，各種組分的含量按質量百分比計算為Bi2O350～80％，氧化石墨烯20～50％；Bi2O3以粒徑為10～50nm的納米粒子負載在氧化石墨烯表面上形成負載型復合粉體材料。其制備方法是將氧化石墨烯加入水中超聲分散，加入分散劑，然后加入鉍鹽的溶液，攪拌、堿化沉積、過濾、洗滌、干燥、灼燒等工序制得。本發明制得的Bi2O3/氧化石墨烯復合粉體作為燃燒催化劑對雙基系推進劑的燃燒具有很好的催化效果，是一種無毒、無污染的環境友好型燃燒催化劑。
文檔編號C01B31/04GK102899122SQ201210404680
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者洪偉良, 譚秋玲, 劉劍洪, 趙鳳起, 樊學忠, 史海兵, 徐司雨, 高紅旭, 肖立柏 申請人:深圳大學, 西安近代化學研究所