تهیه ساختار سه ‌بعدی و متخلخل m-CuO@C/G با کمک روش قالب سخت برپایه سیلیکای KIT-6@C/G و بررسی اثر کاتالیزگری آن بر روی تجزیه گرمایی آمونیوم پرکلرات

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران

10.22036/cr.2022.312466.1162

چکیده

در این مطالعه کاتالیزگر‏های متخلخل بر پایه CuO با استفاده از قالب سیلیکای مزومتخلخل مکعبی سه بعدی (KIT-6) و مس نیترات به عنوان ماده اولیه CuO، با شیوه قالب‌ریزی و روش احتراق نیترات سنتز شد. قالب‌های سیلیکا با لایه کربنی در جداره داخلی (KIT-6@C) و یا قرار گرفته بر روی صفحه‌های گرافن (KIT-6@C/G) با کلسینه شدن در اتمسفر بی‌اثر و کربنه شدن فعال کننده سطحی و گرافن اکسید تهیه شد. مورفولوژی، آنالیز عنصری و ویژگی ساختاری قالب‌ها‌ و کاتالیزگرها با تکنیک‌های دستگاهی پراش اشعه‌ی ایکس، پراکندگی انرژی اشعه‌ی ایکس، میکروسکوب‌های الکترون روبشی و الکترون عبوری، و تکنیک جذب و واجذب نیتروژن (BET) مورد شناسایی قرار گرفت. نتایج حاکی از تشکیل ساختار مکعبی برای قالب‌ها بود و کاتالیزگرهای حاصل ساختاری بلورین مونوکلینیک و خالص از CuO داشتند و تا حدودی هم دارای ساختار کپی‌برداری شده از قالب‌ سیلیکای مکعبی بودند. نتایج BET برای m-CuO@C/G نشان داد که کاتالیزگر، دارای ساختاری متخلخل با ناحیه‌هایی با نظم کم متشکل از حفره‌های ماکرو و مزو، با مساحت سطح ویژه m2 g-1 0/50 و با متوسط اندازه حفره‌های nm 8/4 می‌باشد. فعالیت کاتالیزگر‏ m-CuO@C/G بر روی تجزیه گرمایی آمونیوم پرکلرات(AP) با تکنیک گرماسنجی روبشی تفاضلی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزودن 2 و wt% 5 از کاتالیزگر m-CuO@C/G، دمای تجزیه گرمایی دمای بالای AP به ترتیب به میزان 6/82 و °C 5/88 کاهش یافت و مقادیر گرمای ویژه آزاد شده آنها برای تجزیه AP به ترتیب 2 (J g-1 820) و 5/2 (J g-1 1085) برابر آن برای AP خالص بودند.

چکیده تصویری

تهیه ساختار سه ‌بعدی و متخلخل m-CuO@C/G با کمک روش قالب سخت برپایه سیلیکای KIT-6@C/G و بررسی اثر کاتالیزگری آن بر روی تجزیه گرمایی آمونیوم پرکلرات

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Preparation of 3D and porous structure of m-CuO@C/G using KIT-6@C/G as hard template and investigation its catalytic effect on thermal decomposition of ammonium perchlorate

نویسندگان [English]

  • farzaneh Mirzaee
  • Rezgar Ahmadi
Department of Chemistry, Faculty of Science, University of Kurdistan, Sanandaj,, Iran
چکیده [English]

In this study, porous catalysts based on CuO were synthesized using templates of 3D cubic mesoporous silica-type (KIT-6) and copper nitrate as CuO source via nanocasting strategy and nitrate combustion method. Silica templates with a carbon layer on inner structure (KIT-6@C) or deposited on graphene sheets (KIT06@C/G) were prepared through calecination and carbonization of primery surfactans amd graphen oxides in inert atmosphere. The morphology, elemental analysis and structural properties of the templates and catalysts were characterized by means of X-ray diffraction, energy-dispersive X-ray spectroscopy, scaning electron and transmission electron microscopy and nitrogen adsorption–desorption (BET) techniques. The findings indicated that the cubic structure formed in templates and the resulting catalysts have monoclinic crystalline structure and pure of CuO and to some extent, have negative replica structures of cubic silica template. The results of BET for m-CuO@C/G showed that the catalyst has porous structure with some disordered regions, which constructes from meso and macro pores with specific surface area 50.0 m2 g-1 and averaged pores size 4.8 nm. The catalytic activity of m-CuO@C/G towards thermal decomposition of ammonium perchlorate (AP) was investigated by technique of differential scanning calorimetry. With the addition of 2 and 5 wt% of m-CuO@C/G catalyst, the temperature of high decomposition temperature of AP was reduced by 82.6 and 88.5 °C, and the values of their specific heat releases for AP decomposition were increased 2 (820 J g-1) and 2.5 (1085 J g-1) folds of that for pure AP, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Thermal decomposition of ammonium perchlorate
  • 3D cubic mesoporous silica
  • Nanocasting
  • CuO mesoporous

مراجع

  1. S.G. Hosseini, R. Ahmadi, A. Ghavi, A. Kashi, Powder Technol. 278 (2015) 316.
  2. Y. Zhang, C. Meng, J. Alloys Compd. 674 (2016) 259.
  3. J.A. Vara, P.N. Dave, V.R. Ram, Nano-Struct. Nano-Objects 20 (2019) 100372.
  4. Z. Ma, A. Pang, W. Li, Y. Qi, L. Zhang, ultrasonication, Chem. Eng. J. 405 (2021) 126516.
  5. G. Hao, J. Liu, L. Xiao, H. Gao, Y. Qiao, W. Jiang, F. Zhao, H. Gao, J. Therm. Anal. Calorim. 124 (2016) 1367.
  6. W. Hao, B. Jin, J. Zhang, X. Li, T. Huang, J. Shen, R. Peng, Dalton Trans. 49 (2020) 6295.
  7. S. Jain, S. Chakraborty, L. Qiao, Combus. Flame 206 (2019) 282.
  8. T. Chen, Y.-w. Hu, C. Zhang, Z.-j. Gao, Def. Technol. 17 (2021) 1471.
  9. J. Wang, W. Zhang, Z. Zheng, Y. Gao, K. Ma, J. Ye, Y. Yang, J. Alloys Compd. 724 (2017) 720.
  10. S. Jain , W. Park , Y.P. Chen , L. Qiao, J. Appl. Phys. 120 (2016) 174902.
  11. P.L. Ríos, P. Povea, C. Cerda-Cavieres, J.L. Arroyo, C. Morales-Verdejo, G. Abarca, M.B. Camarada, RSC adv. 9 (2019) 8480.
  12. J.L. Sabourin , D.M. Dabbs , R.A. Yetter , F.L. Dryer , I.A. Aksay, ACS Nano 3 (2009) 3945.
  13. S. Isert , L. Xin , J. Xie , S.F. Son, Combust. Flame 183 (2017) 322.
  14. J. Zhao , Z. Liu , Y. Qin , W. Hu, Cryst. Eng. Comm. 16 (2014) 2001.
  15. A. Dey , J. Athar , P. Varma , H. Prasant , A.K. Sikder , S. Chattopadhyay, RSC Adv. 5 (2015) 1950.
  16. A. Dey , V. Nangare , P.V. More , M.A. Shafeeuulla Khan , P.K. Khanna , A.K. Sikder , S. Chattopadhyay, RSC Adv. 5 (2015) 63777.
  17. S. Zheng, J. Liu, Y. Wang, F. Li, L. Xiao, X. Ke, G. Hao, W. Jiang, D. Li, Y. Li, J. Therm. Anal. Calorim. 134 (2018) 1823.
  18. S. Chaturvedi, P.N. Dave, N.N. Patel, P. Ram, Int. J. Energ. Mater. Chem. Propuls. 15 (2016) 371.
  19. S.G. Hosseini, R. Abazari, Rsc Adv. 5 (2015) 96777.
  20. X. Zheng, P. Li, S. Zheng, Y. Zhang, Powder technol. 268 (2014) 446.
  21. S. Wang, B. Ye, C. An, J. Wang, Q. Li, J. Mater. Sci. 54 (2019) 4928.
  22. S.G. Hosseini, S. Gholami, M. Mahyari, Res. Chem. Intermed. 45 (2019) 1527.
  23. P.W.M. Jacobs, H. Whitehead, Chem. Rev. 69 (1969) 551.
  24. V. Boldyrev, Thermochim. Acta 443 (2006) 1.
  25. Z. Zhou, S. Tian, D. Zeng, G. Tang, C. Xie, J. Alloys Compd. 513 (2012) 213.
  26. L. Li, X. Sun, X. Qiu, J. Xu, G. Li, Inorg. Chem. 47 (2008) 8839.
  27. J. Yin, Q. Lu, Z. Yu, J. Wang, H. Pang, F. Gao, Cryst. Growth Des. 10 (2010) 40.
  28. J. Zhu, G. Zeng, F. Nie, X. Xu, S. Chen, Q. Han, X. Wang, Nanoscale 2 (2010) 988.
  29. D.L. Reid, A.E. Russo, R.V. Carro, M.A. Stephens, A.R. LePage, T.C. Spalding, E.L. Petersen, S. Seal, Nano Lett. 7 (2007) 2157.
  30. R. Borzi, S. Stewart, R. Mercader, G. Punte, F. Garcia, J. Magn. Magn. Mater. 226 (2001) 1513.
  31. J.A. Rodriguez, M. Fernández-García, Synthesis, properties, and applications of oxide nanomaterials, John Wiley & Sons, 2007.
  32. S.S. Joshi, P.R. Patil, V. Krishnamurthy, Def. Sci. J. 58 (2008) 721.
  33. R.A. Chandru, S. Patra, C. Oommen, N. Munichandraiah, B. Raghunandan, J. Mater. Chem. 22 (2012) 6536.
  34. S. Lu, X. Jing, J. Liu, J. Wang, Q. Liu, Y. Zhao, S. Jamil, M. Zhang, L. Liu, J. Solid State Chem. 197 (2013) 345.
  35. J. Yin, Q. Lu, Z. Yu, J. Wang, H. Pang, F. Gao, Cryst. Growth Des. 10 (2010) 40.
  36. G. Duan, X. Yang, J. Chen, G. Huang, L. Lu, X. Wang, Powder technol. 172 (2007) 27.
  37. E. Alizadeh-Gheshlaghi, B. Shaabani, A. Khodayari, Y. Azizian-Kalandaragh, R. Rahimi, Powder Technol. 217 (2012) 330.
  38. L. Chen, L. Li, G. Li, J. Alloys Compd. 464 (2008) 532.
  39. Y. Wang, X. Xia, J. Zhu, Y. Li, X. Wang, X. Hu, Combust. Sci. Technol. 183 (2010) 154.
  40. B. Xue, Z. Qian, C. Liu, G. Luo, Russ. J. Appl. Chem. 90 (2017) 138.
  41. L.-J. Chen, G.-S. Li, L.-P. Li, J. Therm. Anal. Calorim. 91 (2008) 581.
  42. S. Yang, C. Wang, L. Chen, S. Chen, Mater. Chem. Phys. 120 (2010) 296.
  43. Y. Xu, D. Chen, X. Jiao, K. Xue, Mater. Res. Bull. 42 (2007) 1723.
  44. X. Ke, X. Zhou, G. Hao, L. Xiao, H. Gao, T. Chen, W. Jiang, Funct. Mater. Lett. 10 (2017) 1750030.
  45. Y. Hu, S. Yang, B. Tao, X. Liu, K. Lin, Y. Yang, R. Fan, D. Xia, D. Hao, Vacuum 159 (2019) 105.
  46. Z. Cheng, X. Chu, J. Xu, H. Zhong, L. Zhang, Ceram. Int. 42 (2016) 3876.
  47. J. Wang, S. He, Z. Li, X. Jing, M. Zhang, Z. Jiang, J. Chem. Sci. 121 (2009) 1077.
  48. J. Yin, Z. Sheng, W. Zhang, Y. Zhang, H. Zhong, R. Li, Z. Jiang, X. Wang, Mater. Lett. 131 (2014) 317.
  49. H. Hu, X. Ge, Q. Zheng, C. Deng, Korean J Chem Eng. 32 (2015) 2335.
  50. E. Ayoman, S.G. Hosseini, J. Therm. Anal. Calorim. 123 (2016) 1213.
  51. J. Sharma, P. Srivastava, G. Singh, M.S. Akhtar, S. Ameen, Thermochim. Acta 614 (2015) 110.
  52. S. Paulose, R. Raghavan, B.K. George, J. Ind. Eng. Chem. 53 (2017) 155.
  53. P. Cui, A. Wang, J. Saudi Chem. Soc. 20 (2016) 343.
  54. F. Tingming, C. Weifan, G. Zhiming, L. Lin, L. Fengsheng, Combust. Sci. Technol. 181 (2009) 892.
  55. S.G. Hosseini, Z. Khodadadipoor, M. Mahyari, Appl. Organomet. Chem. 32 (2018) e3959.
  56. Y. Lan, M. Jin, Y. Luo, J. sol-Gel Sci. Technol. 74 (2014) 161
  57. J. Xu, S. Li, L. Tan, B. Kou, Mater. Res. Bull. 93 (2017) 352.
  58. Y. Hu, Y. Yang, R. Fan, K. Lin, D. Hao, D. Xia, P. Wang, Appl. Organomet. Chem. 33 (2019) e5060.
  59. T. Zhou, X. Qi, Y. Ma, C. Pei, X. Duan, B. Wu, Appl. Organomet. Chem. 34 (2020) e5730.
  60. S. Jain, L. Qiao, Proc. Combust. Inst. 37 (2019) 5679.
  61. S. Jain, S. Chakraborty, L. Qiao, AIAA Propulsion and Energy 57 (2019) 4441.
  62. Y. Ren, Z. Ma, P. G. Bruce, Chem. Soc. Rev. 41 (2012) 4909.
  63. Y. Ren, Z. Ma, L. P. Qian, S. Dai, H. Y. He, P. G. Bruce, Catal. Lett. 131 (2009) 146.
  64. F. Kleitz, S.H. Choi, R. Ryoo, Chem. Commun. 17 (2003) 2136.
  65. W. Dai, M. Zheng, Y. Zhao, S. Liao, G. Ji, J. Cao, Nanoscale Res. Lett. 5 (2010) 103.
  66. G. Zhang, B. Gou, Y. Yang, M. Liu, X. Li, L. Xiao, G. Hao, F. Zhao, W. Jiang, ACS omega 5 (2020) 32667.
  67. C.-W. Lee, S.-B. Yoon, H.-K. Kim, H.-C. Youn, J. Han, K.C. Roh, K.-B. Kim, J. Mater. Chem. A 3 (2015) 2314.
  68. C.-W. Lee, K.C. Roh, K.-B. Kim, Nanoscale, 5 (2013) 9604.
  69. K. Lee, J. Zhang, H. Wang, D.P. Wilkinson, J. Appl. Electrochem. 36 (2006) 507.
  70. M. Thommes, K. Kaneko, A.V. Neimark, J.P. Olivier, F. Rodriguez-Reinoso, J. Rouquerol, K.S. Sing, Pure Appl. Chem. 87 (2015) 1051.
  71. M.Á.L. Zavala, S.A.L. Morales, M. Ávila-Santos, Heliyon 3 (2017) e00456.
  72. M. Zou, X. Jiang, L. Lu, X. Wang, J. Hazard. Mater. 225 (2012) 124.
  73. H. Qin, M. Zha, Z. Ma, F. Zhao, S. Xu, H. Xu, Pyrotechnics 2014, 39, 694.

 

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 08 آبان 1400
  • تاریخ بازنگری: 18 اسفند 1400
  • تاریخ پذیرش: 23 اسفند 1400

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار