分级多孔锆酸镧独石催化剂高稳定化调控及其在热湿氧环境下催化性能研究

Conventional alumina based catalysts in the shape of granules suffer from the sintering, corroding and fracturing in the high temperature, high concentration vapor-oxidation environment of green non-toxic monopropellants, inhibiting their utilization in the aerospace propulsion. .To improve the thermal stability of the catalysts, we suppose to synthesis a hierarchical macro-mesoporous La2Zr2O7 monolith loaded active metal as a novel catalyst. This concept will optimize the catalysts' material, microstructure and form via the high stability of pyrochlore La2Zr2O7 and bi-continuous hierarchical porous structure. The novel catalyst is synthesized via the Sol-Gel accompanied by phase separation process. The influence of the separation surfactant polymer on the hydrolyze-condensation of multi-metal cations was studied. To strengthen the skeleton, solvothermal treatment was applied to the as-produced La2Zr2O7 gel. The hierarchical macro-mesoporous structure of the monolith was evaluated in detail. Its mechanical, thermal, and transportation properties at ambient or elevated temperature were studied, which is significant to obtain high active, high stability catalyst for non-toxic monopropellant.

常见高比表面颗粒负载型催化剂在高温、高湿、强氧化性燃气下极易烧结、腐蚀、破碎，严重制约了绿色无毒单元推进剂在航天推进领域的应用。. 本项目从催化剂在热湿氧复杂环境下的失效机理研究出发，分析载体材料、多孔微结构和形状对催化剂稳定性的影响；创新性提出以耐高温、抗湿氧稀土氧化物锆酸镧为载体材料，以大孔-介孔分级结构独石为载体构型的调控思路；拟采用聚合物诱导相分离协同溶胶-凝胶法制备分级多孔锆酸镧独石催化剂，并通过溶剂热反应增强独石介观结构，进而实现材料合成与多阶结构自组装的原位控制。项目重点研究调控过程中相分离与凝胶化转变的协同机制，大孔-介孔分级结构的承载/输运特性以及锆酸镧载体与活性金属相容性等基础科学问题，进一步揭示催化剂在模拟热湿氧环境下的稳定机理与催化性能。该工作将有助于理解结构-功能一体化分级多孔陶瓷的环境响应行为，并有望提高催化剂在高温腐蚀性流体中的使用寿命。

绿色无毒单元推进剂具有安全无毒、密度比冲高、存储和操作成本低等优点，在空间推进领域具有广阔的发展前景，但其高温、高湿氧、强氧化的燃气环境对催化剂载体提出了苛刻的要求，传统催化剂载体已经无法满足其应用需求。. 本项目创新性得以耐高温、抗湿氧稀土氧化物锆酸镧（La2Zr2O7）为载体材料，以大孔-介孔分级结构独石为载体构型的调控思路。采用聚合物诱导相分离协同溶胶-凝胶法制备La2Zr2O7独石催化剂载体，研究了La2Zr2O7独石大孔-介孔分级结构协同成型机理和条件，探索了La2Zr2O7独石高温演变机理；通过溶剂热、表面修饰、异质元素掺杂强化La2Zr2O7独石介观织构，研究了La2Zr2O7独石介观织构强化机制和条件；在模拟湿氧环境中，考察了分级多孔La2Zr2O7独石的稳定性，研究了分级多孔La2Zr2O7独石组成结构在模拟热湿氧环境下的失稳机制；考察了La2Zr2O7独石催化剂的催化性能，研究了分级多孔La2Zr2O7独石催化剂的催化理。结果表明：通过控制前驱体、溶剂、凝胶促进剂、相分离催化剂的种类和加入量等工艺条件，可实现分级多孔La2Zr2O7独石的可控合成；La2Zr2O7独石表面-OH的存在是其高温烧结的主要原因；溶剂热和表面修饰减少了La2Zr2O7独石表面的-OH，改善了La2Zr2O7独石的热稳定性，但表面修饰对La2Zr2O7独石的稳定化仅限于1000℃以下，异质元素掺杂能在La2Zr2O7独石晶界处形成“驻点”从而提高高温稳定性；在1300℃，湿氧和热冲击环境中，La2Zr2O7独石载体和催化剂均较为稳定；La2Zr2O7独石催化剂对硝酸羟胺具有良好的催化性能。因此，本项目成果对La2Zr2O7独石催化剂高温、湿氧化环境下的实际应用具有一定的参考意义。