ACS Nano | 多功能含氟氧化石墨烯改善铝基含能材料性能

英文原题：Perfluoroalkyl-Functionalized Graphene Oxide as a Multifunctional Additive for Promoting the Energetic Performance of Aluminum

通讯作者：郑晓琳教授，斯坦福大学

作者：Yue Jiang (姜岳), Haiyang Wang (王海洋), Jihyun Baek, Dongwon Ka, Andy Huu Huynh, Yujie Wang, Michael R. Zachariah, Xiaolin Zheng (郑晓琳)

背景介绍

金属燃料如铝具有高能量密度和低成本的优势，作为含能材料的主要成分，被广泛应用于航空航天推进、太空探索、火炸药、无人化武器、烟火剂等军用及民用领域。然而，铝颗粒表面自然形成的氧化铝层阻碍了铝与氧的相互扩散，进而提高了铝粉点火的难度。较高的表面能也导致铝粉尤其是纳米铝颗粒存在团聚问题，从而降低了其实际反应活性。此外，铝粉燃烧的主要产物氧化铝以固相形式存在于燃烧过程中，其团聚和凝结降低了燃烧效率，也给燃烧室如发动机带来问题。为了改善上述问题，提高铝燃烧的能量释放速率与效率，进而扩大铝基含能材料的应用范围，开发新型的多功能添加剂具有重大意义。

图1.利用含氟氧化石墨烯（CFGO）作为多功能添加剂改善纳米铝颗粒点火与燃烧性能示意图

文章亮点

近日，斯坦福大学郑晓琳教授在ACS Nano上发表了利用含氟氧化石墨烯作为多功能添加剂改善铝基含能材料性能的研究。利用1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷对氧化石墨烯进行功能化，形成同时具有含氟与含氧官能团且两种官能团的比例可以调节的石墨烯基添加剂（CFGO），在光学点火的条件下，通过调控铝燃烧的化学反应路径和动力学，以及其固相燃烧产物状态，显著改善了纳米铝颗粒在空气中的能量释放行为。

图2. 纳米铝颗粒与多种石墨烯基添加剂的复合粉末的材料表征与热化学分析

图3.温度快速跃升与质谱实验（T-jump/TOFMS）测量点火温度与气相产物

图4. 固相燃烧产物分析

通过材料表征、热化学分析（DSC/TGA-IR）、温度快速跃升与质谱实验（T-jump/TOFMS）等手段对含氟氧化石墨烯的增强机理进行研究。结果表明，其作为一种多功能添加剂，可以通过以下四方面改善纳米铝颗粒的点火与燃烧性能：1）含氧官能团的存在确保了添加剂与纳米铝颗粒的良好混合，有效避免了氟化石墨烯与纳米铝颗粒由于不同表面极性而导致的复合粉末团聚问题（如图2所示）；2）全氟碳化物的引入使纳米铝颗粒在氧化反应之前发生预点火反应（如图2所示），该氟化反应可以去除部分表面氧化铝，加速铝与氧气的相互扩散，进而降低点火温度（如图3所示）；3）含氧官能团在快速升温条件下分解，所释放的热量也有助于降低纳米铝颗粒的点火温度（如图3所示）；4）含氧官能团在分解过程中同时释放气体，可减少铝燃烧表面固相产物的团聚与凝结（如图4所示）。

图5. 闪光点火条件下燃烧温度与压强测试结果

基于以上增强机理，研究团队通过闪光点火（Flash ignition）与等容燃烧测试进一步对含有不同石墨烯基添加剂的纳米铝复合粉末进行点火与燃烧性能测试。结果表明，本工作所开发的含氟氧化石墨烯，可以降低纳米铝颗粒的光点火能量，并显著提高纳米铝颗粒在空气中的燃烧温度与能量释放速率（如图5所示）。

总结/展望

含氟氧化石墨烯集含氟与含氧官能团于一身，其增强效果优于单一功能化石墨烯（氧化石墨烯与氟化石墨烯），实现了“一加一大于二”的效果。并且，其不同功能的增强程度可以通过对含氟与含氧官能团比例的调节进行调控。本工作开发的集合多功能的石墨烯基添加剂为金属燃料尤其是铝基含能材料的组分优化与性能提升提供了新的思路，也对其他含能材料的组分设计具有一定的借鉴意义。

相关论文发表在ACS Nano上，斯坦福大学博士后姜岳为文章的第一作者，郑晓琳教授为通讯作者。

通讯作者信息：

郑晓琳 教授

郑晓琳教授自2007年起就职于美国斯坦福大学机械工程系， 2000年获得清华大学热能工程学士学位，2006年获得美国普林斯顿大学机械与航空工程博士学位，并在美国哈佛大学化学与化学生物学系完成了为期一年的博士后工作。近年来致力于面向新型清洁能源与固体推进应用的新材料开发与测试，主要研究方向包括火焰合成纳米材料、电化学催化制氢与双氧水、金属燃烧与含能材料。研究成果发表在Nature，Nature Materials，Nat. Commun，Chem，ACS Nano等国际知名期刊。曾获得2016年美国加州理工学院Resnick研究院授予的Resonate奖，Nano Letters期刊授予的青年教授奖（2015年），MIT科技评论授予的风云人物（2013年），外交政策杂志评选的百名全球思想领袖之一（2013年），美国白宫授予的杰出青年科研总统奖（2009年），美国海军研究院（2008年）以及美国国防部高级研究院（2008年）授予的青年学者奖，美国斯坦福大学授予的Terman青年教授奖（2007年），以及美国燃烧协会授予的Bernard Lewis奖（2004年）。

个人主页：https://zhenglab.stanford.edu/

ACS Nano 2022, ASAP

Publication Date: September 13, 2022

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05271

Copyright © 2022 American Chemical Society