纳米氧化镁粉体的制备及其烧结特性与催化性能

纳米氧化镁粉体的制备及其烧结特性与催化性能纳米氧化镁是一种新型无机功能材料，广泛应用于陶瓷材料、催化剂、电器绝缘材料、化妆品、耐火材料、超导材料、橡胶填充剂、酸性气体吸附剂、催化剂载体等领域，也可用作雷达吸波材料和抗菌材料等，有着广阔的应用前景和巨大的经济潜力。以廉价的无机镁盐为原料，采用水热法制备了纳米氧化镁粉体，探讨了反应介质对纳米氧化镁粉体形貌的影响，系统研究了放电等离子烧结（SPS）纳米氧化镁粉体固化的烧结机制，测试了固化纳米氧化镁陶瓷的力学性能，同时对纳米氧化镁粉体热分解高氯酸铵（AP）的催化性能进行了系统分析。采用正交实验法分析了沉淀剂与Mg2+摩尔比、水热反应时间及水热反应温度等工艺参数对制备纳米氧化物粉体的产率、平均粒径以及形貌的影响，确定了制备纳米氧化物粉体的最优化工艺条件：沉淀剂与Mg2+摩尔比2:1、水热反应时间3h及水热反应温度160℃。用单因素实验法确定了制备纳米氧化镁粉体的沉淀剂及前驱体分解的煅烧温度。探讨了乙二胺四乙酸二钠（EDTA）及氯化钾（KCl）作为反应介质对纳米氧化物粉体形貌及其结构的影响。在水热反应体系中加入EDTA或KCl后，纳米氧化镁粉体的形貌由六边形片状逐渐转变为近圆形片状，晶型仍为面心立方结构。用负离子配位多面体生长基元理论解释了晶体生长的机制，探讨了晶体形貌改变的机理。采用放电等离子烧结法研究了在不同温度（900℃，1050℃，1200℃，1300℃，1420℃）下烧结得到的氧化镁块体陶瓷材料的相组成及晶粒形貌特征。烧结温度对晶粒长大和陶瓷结构有重要影响。XRD结果显示，块体陶瓷材料均为面心立方结构，且相组成单一，样品纯度高。不同温度烧结后各个晶面的衍射峰明显变得尖锐和窄化，说明在烧结过程中有晶粒长大现象。SEM显示，随着烧结温度升高，颗粒的外观形态由六边形片状逐渐向多面体形态演变，且粒子间空隙从连续孔逐渐过渡到孤立孔。用唯像动力学理论计算了不同烧结温度下的动力学生长指数n值和晶粒生长激活能Q值。分析表明，温度为900℃和1050℃烧结时其烧结和晶粒长大机制主要是表面扩散；温度为1200℃烧结时其烧结和晶粒长大机制主要是表面扩散，辅以塑性流动；温度为1300℃和1420℃烧结时其烧结和晶粒长大机制主要是辅以塑性流动的晶界扩散。采用维氏显微硬度法测定了不同温度和保温时间烧结的氧化镁陶瓷的显微硬度，并通过三点弯曲试验测试了在不同温度下烧结得到的陶瓷烧结体的弯曲强度。探讨了影响陶瓷硬度大小的因素，认为气孔率和晶粒大小是主要因素。从陶瓷材料的微观组织形貌探讨了影响氧化镁陶瓷强度的主要因素是晶粒尺寸、气孔率高低和位错密度的大小。从AP的高温放热峰温度、表观分解热及低温失重率等三方面评价了纳米氧化镁粉体的催化活性。纳米氧化镁粉体对AP表现了良好的催化活性，降低了高温分解峰温度，增大了表观分解热，使AP的低温分解失重率大大提高。用Kissinger法对纳米氧化镁粉体催化AP分解过程的动力学参数进行了研究。用电子转移理论研究了纳米氧化镁粉体催化AP的机理。纳米晶表面存在的大量表面羟基、低配位羟基及H-离子等活性中心能成为捕获电子的陷阱，加速电子转移；纳米材料的小晶粒尺寸，能够提高纳米材料表面不饱和配位原子的数目，形成大量高活性的边缘、中心缺陷点及不完整晶面，这些表面效应作用能大大提高催化性能。