アンモニウム過塩素酸塩の分解を促進する2種類のEMOFを開発(Researchers Develop Two EMOFs to Enhance Ammonium Perchlorate Decomposition)

2026-10-07 中国科学院(CAS)

中国科学院福建物質構造研究所の研究チームは、過塩素酸アンモニウム(AP)の熱分解を促進する2種類の高エネルギー金属有機構造体(EMOF)を開発した。APは複合固体推進薬に用いられる酸化剤だが、熱分解温度が高く、発熱が広い温度範囲に分散することが課題だった。研究チームは、窒素を多く含む芳香族配位子、還元性の高いアニオン、金属イオンを組み合わせる構造共集合戦略により、亜鉛系とカドミウム系の2種類のEMOFを合成した。APに亜鉛系化合物を質量比5%添加したところ、高温熱分解ピークは439℃から323℃へ116℃低下し、見かけの活性化エネルギーも202.6から84.5 kJ/molに減少した。また、発熱ピーク幅は141℃から10℃に縮小し、総発熱量は979.7 J/gと、純粋なAPの約1.75倍に増加した。EMOF自体も分解時にエネルギーを供給することが示された。本研究は、熱分解の促進、発熱の集中、追加エネルギーの供給を同時に実現する触媒材料設計の新たな指針となり、高性能固体推進薬の開発への応用が期待される。

アンモニウム過塩素酸塩の分解を促進する2種類のEMOFを開発(Researchers Develop Two EMOFs to Enhance Ammonium Perchlorate Decomposition)
Design strategy and catalytic performance of 2D EMOFs for ammonium perchlorate thermal decomposition. (Image by Prof. GUO’s group)

<関連情報>

過塩素酸アンモニウムの熱分解に対する触媒性能が向上した高エネルギー金属有機構造体 Energetic Metal–Organic Frameworks With Enhanced Catalytic Performance for Ammonium Perchlorate Thermal Decomposition

Jun Hu, Meng Cui, Mei-Qing Lai, Bo-Wen Fan, Wen-Jing Yang, Hang Liu, Jian-Gang Xu, Fa-Kun Zheng, Guo-Cong Guo
Small  Published: 02 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/smll.75535

ABSTRACT

Ammonium perchlorate (AP), the pivotal oxidizer in composite solid propellants, is often constrained due to its high decomposition temperature and sluggish heat release. Here, we proposed a structural co-assembly strategy which synergistically assembles energetic moieties and reduction units. Through this approach, two 2D energetic metal–organic frameworks (EMOFs), {Zn2(datz)2(CBH)2·H2O}n 1 and {Cd(Hdatz)2(CBH)2}n 2 (Hdatz = 3,5-diamino-1,2,4-triazole, CBH = cyanoborohydride), were successfully synthesized. Compared with pure AP, 5 wt.% of 1 into AP (5%-1-AP) lowered the decomposition temperature by 116°C, and reduced the apparent activation energy (Ea) to 84.5 kJ·mol−1, thereby enabling highly efficient low-barrier catalysis. Notably, the catalyst induces a dramatic “energy concentration” effect, narrowing the decomposition peak width to 1/14 of pristine AP while the total heat release (Q) reaches 1.75 times that of pure AP. TG-FTIR analysis reveals intensified high-valent nitrogen oxide signals via enhanced NH3 oxidation. Theoretical calculations demonstrate that 1 binds more strongly to AP and NH3 with a lower average surface potential (Vavg) and greater polarization than 2, confirming the synergy between electron-donating CBH− and in situ ZnO in driving efficient electron transfer and concentrated energy release. This EMOFs design demonstrates considerable potential for high-performance catalytic applications and the development of next-generation solid propellants.

0505化学装置及び設備
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