メカノケミカル合成されたCo–Fe金属有機構造体が、過塩素酸アンモニウム–アルミニウム複合混合物の熱分解挙動に及ぼす触媒効果
The Catalytic Effect of a Mechanochemically Synthesized Co–Fe Metal–Organic Framework on the Thermal Decomposition Behavior of Ammonium Perchlorate–Aluminum Composite Mixtures
本研究では、メカノケミカル合成されたCo–Fe金属有機構造体(Co–Fe-MOF)が、過塩素酸アンモニウム–アルミニウム(AP-Al)複合系およびAPベースの複合材料の熱分解挙動に及ぼす触媒効果を調査した。X線回折(XRD)、フーリエ変換赤外分光法(FTIR)、走査型電子顕微鏡(SEM)による特性評価の結果、高分散で不均一な表面形態と均一に分布した活性領域を持つCo–Fe-MOF構造体が形成されたことが確認された。示差走査熱量測定(DSC)により、APベースの複合材料にCo–Fe-MOFを添加すると、主たる発熱分解ステップが低温側に移行し、5 wt.%の触媒添加で分解温度が438–467 °Cから358–398 °Cに低下することが示された。Kissinger法およびOzawa–Flynn–Wall法による速度論的パラメータ評価では、活性化エネルギーが、純粋なAP(191–200 kJ·mol−1)およびAP-Al系(184–194 kJ·mol−1)と比較して、5 wt.%のCo-Fe-MOF導入後に95–109 kJ·mol−1まで低下した。この触媒活性は、APの分解とアルミニウムの酸化を促進するCo3+/Co2+およびFe3+/Fe2+のレドックスカップルを含む電子移動プロセスの加速に関連している。これらの結果は、メカノケミカル合成されたCo–Fe-MOFがAPベースのエネルギー系材料の熱速度論的性能を向上させる効果的な触媒であることを示している。
- メカノケミカル合成されたCo–Fe-MOFがAP-Al複合系の熱分解温度を438–467 °Cから358–398 °Cに低下させることを実証
- 5 wt.%のCo–Fe-MOF添加により活性化エネルギーが191–200 kJ·mol−1(純AP)および184–194 kJ·mol−1(AP-Al系)から95–109 kJ·mol−1に低下
本研究成果は、メカノケミカル合成というスケーラブルな手法で製造されたCo–Fe-MOFが、APベースの推進薬・エネルギー材料の熱分解温度を大幅に低温化し、活性化エネルギーを半減させる触媒効果を実証した点に価値がある。固体ロケット推進薬や爆発物・火工品の性能向上につながる可能性があり、国防総省や宇宙関連企業などエンドユーザーとの連携が進めば、材料サプライチェーンにおける新たな投資機会となり得る。