单原子催化剂的催化效果及其作为固体推进剂燃烧催化剂的应用前景分析

薛 妍,曲文刚,刘所恩,高红旭,牛诗尧,付青山,王 艳,陈锦芳,赵凤起

(1.西安近代化学研究所 燃烧与爆炸技术重点实验室,陕西 西安 710065;2.山西北方兴安化学工业有限公司,山西 太原 030008;3.驻太原地区第三军事代表室,山西 太原 030012)

引 言

作为火箭弹、战术/战略导弹及运载火箭等飞行器的动力源,固体推进剂的燃烧性能是影响火箭发动机弹道性能的决定性因素,燃速的高低决定着发动机的工作时间和飞行速度,燃速压力指数的大小也与发动机工作性能的稳定性息息相关,直接影响着飞行器的射程和机动性。因此,军用火箭导弹和航天航空工程火箭等飞行器对其动力性能和推进效率的不懈追求,推动着现代固体推进剂技术向高能、钝感、低特征信号、环境友好以及燃烧可控等方向不断发展[1-2]。

众所周知,固体推进剂的燃烧是一个复杂的质量、热量和动量传递过程,涉及流体力学、化学反应动力学、传热传质学等众多学科。而燃烧催化剂在推进剂燃烧性能调节方面起到不可替代的重要作用。所谓燃烧催化剂,指的是推进剂配方中能够起到调节和改善推进剂弹道性能的一大类功能材料[3]。其主要作用为:(1)改变推进剂在低压燃烧时的化学反应速度;(2)降低推进剂燃速受压力、温度影响的敏感程度;(3)改善推进剂点火性能;(4)提高推进剂的燃烧稳定性;(5)调节推进剂燃速,实现发动机设计的不同推力方案。换言之,燃烧催化剂能够以化学方式改变推进剂的燃烧过程,有效提高推进剂的综合性能,在各类导弹和火箭武器中具有重要的应用价值。

长久以来,燃烧催化剂一直备受关注,目前已经发展出普通金属氧化物、金属复合物、金属有机配合物等多种燃烧催化剂,在推进剂燃烧性能调节方面起到不可替代的重要作用[4-6]。特别是纳米燃烧催化剂,由于具有量子尺寸效应、表面效应和宏观量子效应等特性,具备较高的催化活性,能显著提高推进剂的燃烧速度和燃烧稳定性[7-8]。例如,纳米级超细Fe2O3可使丁羟复合推进剂燃速提高25%,且具有更好的安全性和老化稳定性[9];纳米TiO2能通过加快凝聚相的热传导过程进而加速HMX的热解[10];CuO、Fe2O3和CuCr2O4等纳米金属氧化物能够有效调节AP-CMDB推进剂的燃烧性能[11-12]等。然而,纳米燃烧催化剂的小粒径、大比表面积、高表面能等特性在赋予其高效催化活性的同时,也使得纳米粒子存在易氧化、易团聚等问题,导致有效活性位点减少,催化效率降低。为此研究者通过负载、表面改性等手段对纳米燃烧催化剂进行了优化[13-15],但无法大量制备、负载不均匀、活性组分利用率低、催化机理不明确且研究难度大等缺点仍限制了纳米燃烧催化剂的进一步发展。此外,由于固体推进剂组分繁多,具有配方多样性,且热解燃烧过程由多步化学反应构成,反应路径及相应反应速率各异,燃烧催化剂在不同配方中催化效果各异,如在RDX、HMX等二代含能材料配方体系中具备优异催化性能的“铅-铜-炭”三元燃烧催化剂,将其用于DNTF、CL-20等新一代含能组分中时催化效果却不理想[16]。

综上所述,燃烧催化剂研究虽已取得长足发展,显著推动了固体推进剂燃烧调控技术的进步,但仍存在诸多问题,无法满足推进剂技术进一步向着高能、燃气清洁以及燃烧可控方向发展的需求,制约了我国先进火箭与导弹技术进一步发展。具体表现在:(1)催化效率不够高,活性位点暴露有限,原子利用率低,无法满足高性能固体推进剂需求;(2)催化选择性差,缺乏选择性催化特定燃烧反应路径的能力,难以对燃烧过程进行有效控制;(3)缺乏分子尺度的微观催化燃烧模型,难以指导燃烧催化剂的设计与构建,缺乏可持续性3个方面。因此,亟需发展新的具有高活性、高选择性的燃烧催化材料体系,突破固体推进剂燃烧性能高效、精准调控这一瓶颈问题,为高性能固体推进剂的研制提供理论支撑和技术保障。

一般而言,催化剂尺寸是决定其催化性能的主要因素,即催化剂的比活性随颗粒尺寸的减小而增大[17]。在自然界中,如硝基酶中的Mo,血红素中的Fe,叶绿素中的Mg等,催化活性中心单原子与生物大分子配体协同工作,在生物体中发挥着重要作用。仿照类似结构,2011年中科院大连化物所张涛教授与清华大学李隽教授课题组首次发展并提出了高性能的Pt1/FeOx单原子催化剂[18]。所谓单原子催化剂(SACs),指的是金属以单个原子形式负载于载体上并通过载体与配体配位成键形成单一分散的局域结构的催化剂体系。在SACs中金属位点的高活性价电子、电子的量子限域效应等独特的物理化学性质使其具有最大的表面化学能,极大地提升了活性中心与反应分子之间的相互作用[19]。此外,金属单原子与载体之间的强相互作用不仅有利于单原子催化活性位点的稳定,而且金属原子与周围载体原子量子能级的耦合以及配位成键导致的电荷转移等物理化学性质也有利于催化反应的动力学过程[20]。因此,在氧化反应、氢化反应、光催化、电催化等一系列催化反应中,SACs均表现出优异的催化活性,展现出了巨大的应用潜力[21-25]。

与金属颗粒形式相比,SACs的活性中心原子同时具备高催化活性和高选择性,能够实现100%金属利用率,在提高催化效率的同时大大减少了贵金属的用量;结构方面,金属原子分布均匀,活性中心单一明确,在原子水平上达到了催化剂合理设计的极限,可作为催化机理研究的理想模型。将SACs引入推进剂燃烧催化领域有望突破燃烧催化剂的研究瓶颈,实现固体推进剂燃烧性能精准调控。

鉴于此,本文分析了燃烧催化剂研究现状,指出单原子催化剂优势所在,进一步从单原子燃烧催化剂在固体推进剂中的催化效果着手,结合既有燃烧催化剂研究经验,对单原子燃烧催化剂发展趋势做出合理预测,以期为新型高性能固体推进剂的研制提供理论和技术支撑,推动我国武器装备体系的快速发展和健全。

1 单原子催化剂的合成方法及表征技术

1.1 单原子催化剂的合成方法

一般而言,催化剂粒径越小,比表面积越大,反应活性越高。然而随着尺寸减少,原子表面自由能急剧增加,金属单原子极易发生移动/聚集,形成团簇甚至颗粒,造成活性位点消失,催化活性下降。换言之,高稳定性和高反应活性是单原子催化剂设计合成过程中相互矛盾的两大需求。因此,阻碍金属原子的移动/聚集趋势是制备兼顾高稳定性和高反应活性的单原子催化剂所面临的重大挑战。

近年来,国内外研究团队在单原子催化材料的可控制备方面成果颇丰,发展出了利用化学方法和物理手段等多种制备方法[26-37],且单次产量可达公斤级,为单原子催化剂的工业化发展注入了新的活力。具体方法有:

(1)浸渍法。将催化剂载体放入含有催化活性组分的溶液中,待活性物质在载体表面充分吸附后,除去多余液体,将剩余组分通过干燥或焙烧、活化等系列化处理,最终制得所需单原子催化剂[26]。该方法操作简单、产量大,但在该策略中,载体与活性金属原子间相互作用对SACs负载量的提升起着至关重要的作用,而合成条件如溶剂类型、温度和溶液pH等对二者结合能力均有明显影响,因此精确控制合成条件尤为重要。

(2)热解法。热解法是合成碳负载单原子催化剂普遍采用的合成方法[27]。此过程通常包括两个步骤:首先将金属前驱体负载在碳基前驱体上,然后在惰性气体下对前驱体进行高温碳化处理,使得金属原子被紧紧锚定,最终得到热稳定性碳负载的金属单原子催化剂。如图1(a)所示,YANG等[28]采用该方法顺利实现了包括Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Pt等多种金属单原子催化剂的大规模合成,为其工业化应用奠定了基础。

(3)原子层沉积法(ALD)。在原子层沉积法中,化学反应的自限性使得在基底上沉积原子级厚度的催化剂成为可能,也为合成单原子催化剂提供了可行性方案[29-30]。Sun等[31]于2013年采用这种基于有序、表面自饱和反应的化学气相薄膜沉积技术成功制备出了稳定的Pt单原子催化剂。然而该方法制备过程涉及使用昂贵的设备,前驱体成本高且收率低,不利于大规模生产。

(4)高能球磨法。在纳米材料众多制备方法中,高能球磨法由于具备成本低、实用化程度高的优势,始终占据着重要地位[32]。近年来,李峰等[33]基于机械作用力在载体上原位产生缺陷进而捕获并稳定原子化金属的反应机制,报告了一种单原子催化剂的绿色制备方法,即通过自上而下的研磨方法,将大块金属直接雾化到不同载体上,且可通过改变磨损率实现金属负载水平的调节。该方法具备简便、无溶剂、零浪费和低成本等众多优势,应用前景广阔。此外,如图1(b)所示,马丁等[34]采用高能球磨法成功实现了金属单原子催化剂的公斤级制备,降低了单原子催化剂大规模生产的成本,为其工业化制备与应用提供了可能。

1.2 单原子催化剂的表征技术

单原子催化剂是原子尺度上的异相催化剂,需要在原子级别清晰地表征单原子结构,对表征技术和手段提出了前所未有的精度要求。因此,单原子催化剂的快速发展很大程度上依赖于先进的表征技术和手段[38-42]。

首先,随着像差校正技术的成熟和发展,球差校正扫描透射电子显微镜(AC-STEM)分辨率已经达到亚原子级别,可以轻易分辨载体上单分散的金属原子,明确其空间位置和分布情况,为识别单个原子提供最直接和最令人信服的证据。而通过收集卢瑟福散射的电子则可以得到高角度环形暗场(HAADF)图像,根据图像中原子明暗度也可识别单原子催化剂活性中心。具体而言,图像中原子明暗度与原子序数有关,原子序数相对较小的原子表现较暗的点,反之则较亮。因此,一般情况下,原子序数相对较大的金属原子表现为明显的亮点,而载体的原子序数相对较小,表现为暗点。

其次,X射线吸收光谱(XAS)是探测单原子材料特征的另一种基于同步加速器的表征技术,能够详细地给出单原子的原子间距离,相邻原子的数量和类型,以及配位环境下元素平均氧化态信息。XAS由扩展边X射线吸收精细结构光谱(EXAFS)和X射线吸收近边光谱(XANES)组成。EXAFS通常在150～2000eV范围内,由相邻原子的光电子散射引起的,可用于揭示原子上的局部成键信息。而XANES则在5～150eV的低动能范围内,由核心电子激发到自由轨道引起,具有元素特异性,能够提供有关原子电子态的信息。

此外,其他辅助方法如傅里叶变换红外光谱也可提供单个金属原子的相关结构信息。总之,目前的表征技术已经能够得到单原子催化剂活性位点的几何和电子结构的详细信息,将这些信息相结合,不仅能够很好地证明单原子的存在,而且能够深入了解单原子催化剂的催化性质,阐明在催化过程中单原子材料的结构与性质关系。

图2 单原子催化剂的表征技术Fig.2 Characterization techniques of single-atom catalysts

2 单原子催化剂在固体推进剂中的应用及发展

推进剂燃烧是一个在高温高压条件下涉及多阶段多层次的物理和化学反应过程。如图3所示,根据固体推进剂经典燃烧模型,典型固体推进剂的燃烧波结构可分为凝聚相传热区(含泡沫区)、嘶嘶区、暗区和火焰区4个区域。硝酸酯类化合物分子中普遍含有—O—NO2基团。Dauerman等[43]认为,在燃烧表面和附近区域,硝酸酯热解形成的NO2会立即与硝化棉形成复合物,近而进一步促进硝酸酯快速热解形成CO、CO2和H2O等高氧化态物种。Suh等[44]认为铅盐催化剂通过与硝化棉上的硝基氧原子之间形成螯合物,近而起到活化RO—NO2键的作用。Hewkin等[45]认为铅-碳结构能够催化NO在嘶嘶区快速生成N2,而非在暗区缓慢。总之,O—N键的断裂通常被认为是固体推进剂热解反应的开始,燃烧催化剂的金属活性中心必须能够有效吸附NO2基团并高效活化O—N键[46]。

图3 固体推进剂燃烧波结构模型及相应化学反应[47]Fig.3 Combustion wave structure model and corresponding chemical reactions of solid propellant

2.1 单原子燃烧催化剂的催化作用效果

单原子催化剂在固体推进剂中的应用如图4所示。由图4(a)可知,Qu等[48]从固相热解的高效催化反应界面设计入手,结合分子轨道匹配,发展了一种原位锚定的单原子燃烧催化剂合成策略:通过直接在推进剂组分表面构建配位基团来锚定单核金属前驱体,再利用金属单原子与配位点的强相互作用稳定形成的单原子,防止其迁移团聚,从而实现单原子催化剂的合成。该方法实现了金属催化活性中心在推进剂组分表面的最大化利用以及均匀分散,解决了传统多相燃烧催化剂固相热解反应界面催化效率低的问题。研究表明,将该单原子Pb催化剂应用于高固含量硝胺改性双基推进剂中,在2～22MPa的压力范围内均能够显著提高推进剂的燃烧速率,特别是在低压段催化效果更明显,2MPa下燃速较空白样品提高了4倍以上,较使用传统Pb催化剂体系的样品提高了200%,使2～22MPa范围内燃速压强指数低至0.17,同时催化剂用量大幅减少80%以上。燃烧火焰表明,与Res-Pb相比,添加了PDA-Pb的样品暗区几乎消失,燃烧反应直接发生在燃烧表面。原位FT-IR结果显示,与Res-Pb的173℃相比,PDA-Pb样品在95℃时2200～2250cm-1间便出现了来源于N2O特征信号峰,证明Pb基单原子催化剂能够催化RDX分子中的N—NO2键在较低温度条件下发生断裂。相应密度泛函理论(DFT)计算表明,单原子催化剂之所以表现出优异的燃烧催化能力是因为Pb2+被PDA分子的4个—NH基团锚定并发生电荷转移,具有较高能级的单Pb原子催化剂能够通过增强RDX与PDA-Pb之间的界面电子耦合,近而很好地激活RDX分子中的N—NO2键,促发其断裂,引起RDX快速分解。

图4 单原子催化剂在固体推进剂中的应用Fig.4 Application of single-atom catalysts in solid propellant

郭腾龙等[49]采用蒸发诱导自组装的方法制备了负载量高达8.7%的Cu1/Al2O3单原子催化剂并研究了其对复合固体推进剂中常用氧化剂AP热分解性能的影响。如图4(b)所示,活性金属铜以Cu—O键形式稳定在载体表面,呈现均匀的单原子分散状态;当Cu1/Al2O3单原子催化剂用量为5%时,AP的高温热分解峰温为319℃,与纯AP相比提前了85℃,催化效果明显优于前驱体Cu(NO3)2·3H2O以及常见的nano-CuO催化剂。研究表明,AP的热分解是固-气多相反应,包括低温和高温两个分解阶段,其中低温分解阶段主要是固相反应,分解快慢的决定因素是ClO4-与NH4+间的电子和质子转移;而高温分解阶段大部分为气相反应,气体分子之间的相对浓度和反应速率是这一阶段分解快慢的决定因素。Cu1/Al2O3单原子催化剂对 AP热分解具有较好的催化效果,主要有3方面原因:第一,活性金属Cu2+不仅可作为电子转移的桥梁促进电子由ClO4-向NH4+转移,加快AP固相分解反应速率,还对气体分子有较强的吸附作用,加大气体分子相对浓度,提高气相反应速率;第二,催化剂活性位点数量很大程度上影响着其催化性能,Cu1/Al2O3单原子催化剂活性金属负载量高,而且呈均匀的原子分散状态,比表面积大,金属利用率高,这使得催化剂可提供更多的活性位点,大大促进了固相电子转移和气相反应速率,从而加快AP的热分解;第三,载体具有共催化的作用, Al2O3作为金属氧化物同样可以协助传递电子以及吸附气体分子,从而有效提高催化剂对AP 的催化活性。

Konstantinos等[50]则采用密度泛函理论(DFT)和微观动力学模型研究了两种非Pt族合金材料对N2O的分解反应的影响。其中,单原子合金Ni/Cu(111) SAA结构为单原子Ni分散在Cu(111)表面。计算结果表明,在Cu(111)上添加微量Ni原子不仅能够加强N2O与催化剂表面的结合,防止其解吸,而且能够显著激活N—O键,促进N2O解离,表现出优异的催化分解能力。在推进剂领域,N2O本身就是一种无毒、安全绿色推进剂,可用于冷气推进、单组元推进、固液推进和电阻加热推进等推进系统模式[51]。此外,固体推进剂中含能物质的分解过程也往往伴随着二次反应,N2O为其中主要的中间气体产物[52]。由此推测,该工作对推进剂催化燃烧同样具有一定的指导意义。

总之,目前单原子催化剂在固体推进剂燃烧领域的相关研究虽鲜有报道,但已有结果表明单原子催化剂应用于固体推进剂催化燃烧领域具备多方面优势,极具研究价值和意义。具体包括:(1)单原子催化剂具有比纳米结构更高的催化活性,能够大幅提升固体推进剂的燃烧性能;(2)单原子催化剂具有均一的活性中心结构及配位环境,因此表现出更高催化选择性,有利于实现固体推进剂燃烧性能的精准调控;(3)单原子催化剂实现了100%的原子利用率,降低了铅、铜等金属元素的用量,一方面能够减少推进剂中非含能组分的含量,提升推进剂的能量;另一方面也减少了推进剂中燃烧残渣及有毒有害污染物的含量,有利于实现推进剂的清洁燃烧。

2.2 单原子燃烧催化剂的发展趋势

鉴于目前燃烧催化剂在固体推进剂领域的应用已取得众多进展,而原子级别的单原子燃烧催化剂相关研究仍处于起步阶段,研究前景广阔。本研究将结合已有燃烧催化剂相关研究经验,针对单原子催化剂在固体推进剂领域的发展趋势展开讨论。

2.2.1 单原子燃烧催化剂的结构设计

首先,单个原子表面能极高,无法单独存在,需通过载体分散稳定,单原子催化剂优异的催化性能也正是来自于活性中心的配位不饱和状态和其与支撑端口的稳定配位;其次,单原子催化剂实际工况为高温高压极端环境,活性中心金属原子极易受到奥斯特瓦尔德熟化过程的影响发生烧结和失活,而本质原因正是金属原子和载体之间相互作用较弱。因此,在单原子燃烧催化剂的微观结构设计阶段,便需构建负载型催化剂体系,建立并保持金属单个原子与载体配位原子之间的强相互作用,克服单原子催化剂的热稳定性局限。具体策略如下:

载体方面,根据活性金属原子特性,选择合适载体。通过N、P、S等原子配位作用对单个金属原子进行锚定,利用载体空间缺陷捕获单原子,利用多孔材料孔隙对单原子进行空间限制,减缓热运动,表面晶格重构捕获单原子等多种方式均可构建金属原子和载体间强相互作用,获得热稳定性单原子催化剂。换言之,诸如碳纳米管、金属纳米线等一维材料,或二维碳氮材料、片层金属氧化物等二维材料,亦或纳米金属粉,介孔纳米碳球等三维材料,不论载体类型,凡能通过强相互作用稳定分散活性金属原子,均有可能构建出性能优异的单原子燃烧催化剂体系。不同载体上分散的单原子催化剂如图5所示。

图5 不同载体上分散的单原子催化剂 [53]Fig.5 Single-atom catalysts dispersed on different supports

(1)金属氧化物。金属氧化物在固体推进剂配方中广泛使用,如PbO、Bi2O3等金属氧化物和NiO、CuO等过渡金属氧化物是良好的燃烧催化剂[54],而Al2O3则是推进剂配方中普遍添加的燃烧稳定剂。近来,张婷等[55]通过在Fe2O3中掺杂Bi进一步提高了Fe2O3的催化活性和氧化性能。郭腾龙等[49]的研究工作也证明将单原子Cu分散在金属氧化物Al2O3载体上制备所得的单原子催化剂具备优异的催化能力。因此,基于金属氧化物在固体推进剂中的广泛研究工作,将其作为单原子燃烧催化剂的负载基底有望快速得到性能优异的新型燃烧催化剂,在现有催化配方体系中表现出更强的催化能力。

(2)二维(2D)材料。诸如二维碳氮材料、二维金属氧化物半导体材料等,二维(2D)材料本身具有特殊物理和化学性质,可以为单原子提供一种新的有前途的理想载体[56]。具体而言,首先,具有独特几何和电子结构的2D材料可以调节单个原子的催化行为;其次,二维材料通常具有较大的比表面积,通过将单个原子锚定在其表面,可以产生更多的活性位点;第三,单原子层二维材料能够促进活性分子在受限单原子上的吸附和扩散;第四,二维材料限域单原子催化剂能够很好地识别活性位点,并能够使用理论化学方法预测催化性能;最后,分散的单原子还可以反作用于二维材料,促进或激活其内在催化活性。

(3)金属纳米粒子。金属粉作为燃料在推进剂中已得到广泛应用,是提高体系能量性能的重要途径之一[57-58]。研究发现,诸如铝、铁、钴、镍和铜等纳米金属粉在推进剂中有很好的燃烧催化性能,还有广阔的应用前景[59-61]。将纳米金属粉作为单原子燃烧催化剂载体时,金属纳米粒子能够通过表面缺陷捕获或晶格重构形成热力学稳定的单原子催化剂,有望在不牺牲推进剂能量性能的同时显著改善燃烧性能。

活性中心原子方面,首先,目前仅有Pb、Cu相关两项研究成果被报道,其余已被证实具有良好催化活性的Ni、Co、Bi等相关单原子催化研究仍存在大量空白;其次,催化剂的催化效果与其负载量密切相关,制备高负载量且完全原子分散的催化剂也是单原子催化领域的研究重点和难点。针对于此,有以下解决方法:(1)在载体表面构造具有孤对电子的配位N、P、S等与金属原子具有很强配位能力的原子作为锚定位点或使用配位原子丰富的载体,是合成高金属负载量SACs的有效方法;(2)制备条件对金属原子负载量也起到决定性作用,精确控制合成条件尤为重要。如Lu等[62]明确指出采用分步退火法制备高负载量碳负载型金属SACs时,首次退火温度低于金属前驱体热解温度是形成单原子催化剂的前提条件,且在此基础上首次退火温度越高,所得SACs金属负载量越大。

2.2.2 单原子燃烧催化剂的催化机理研究

现有的燃烧催化剂研究体系除催化效率低、难以满足高性能固体推进剂需求之外,还存在催化选择性认识不足,难以对燃烧过程进行有效控制,缺乏分子尺度的微观催化燃烧模型,难以进一步指导燃烧催化剂的设计与构建等问题。而单原子催化剂在催化活性及选择性方面表现出明显优势的同时,其均一的活性位点和配位结构更为研究人员从分子层面理解固体推进剂燃烧过程,阐明其反应机理提供了理想的模型和研究平台。而如何准确获取燃烧过程中的相关物理和化学参数正是破解这一难题的前提。目前已发展了表征固体推进剂燃烧温度分布、燃烧火焰微观行为变化、燃烧组分演变过程以及熄火表面状态分析等一系列固体推进剂火焰燃烧诊断方法,且在此基础上建立和优化了一系列固体推进剂燃烧仿真计算模型[63]。若能采用燃烧诊断实验方法获得单原子燃烧催化剂在固体推进剂中的构效关系、宏观反应动力学等各项参数,进一步通过理论计算模拟含能材料分子在单原子活性中心上的吸附构型、过渡态能级、以及电荷分离与迁移的内在规律,有望建立单原子催化燃烧模型,阐明单原子燃烧催化剂作用机理,在准确预估不同条件燃烧行为的同时进一步指导燃烧催化剂,为燃烧催化剂体系的设计和构建提供新的研究范式,有力推动固体推进剂燃烧精准调控技术的发展。

3 结束语

综上所述,单原子燃烧催化剂具有高催化活性、高稳定性、高选择性和100%原子利用率等独特性能,无论是在对单一含能化合物的热分解催化还是应用于固体推进剂中的燃烧催化中,均表现出优异的催化分解能力。

建议在今后的研究工作中,重点关注以下两个方面:

(1)进一步从微观结构多样化设计与构建方面丰富推进剂用单原子燃烧催化体系,广泛研究活性中心原子及载体类型、形态等对燃烧催化性能的影响规律,筛选出更多综合性能优异的单原子催化剂结构,并结合实际需求开展单原子燃烧催化剂在固体推进剂中的应用研究,探索适宜的配方组分和工艺条件,加快新型高能固体推进剂的应用步伐;

(2)鉴于单原子燃烧催化剂均一的活性位点和配位结构能够为研究人员从分子层面认识催化反应机理提供理想的模型和研究平台,有望通过量化计算从理论方面深入研究,明确固体推进剂催化燃烧机理,并进一步指导燃烧催化剂的优化,为燃烧催化剂体系的设计和构建提供新的研究范式,为新型高性能固体推进剂的应用奠定理论与技术基础,因此单原子催化剂的作用机理研究和催化燃烧机理模型建立也是一个重要的发展方向。