Magnesium-Enhanced Reactivity of Boron Particles: Role of Mg/B2O3 Exothermic Surface Reactions

放热反应 反应性(心理学) 氧化硼 汽化 燃烧 材料科学 氧化物 化学工程 纳米颗粒 化学 物理化学 纳米技术 有机化学 冶金 替代医学 病理 工程类 医学
作者
Pankaj Ghildiyal,Feiyu Xu,A. Rojas,Yujie Wang,Mahbub Chowdhury,Prithwish Biswas,Steven Herrera,Reza Abbaschian,Michael R. Zachariah
出处
期刊:Energy & Fuels [American Chemical Society]
卷期号:37 (4): 3272-3279 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.energyfuels.2c02347
摘要

Boron offers great promise as a candidate fuel in high-energy composites as a result of its high gravimetric and volumetric energy content; however, its oxidation rate is limited by sluggish diffusion of reactive species across its low-melting oxide shell. On the other hand, Mg nanoparticles (NPs) have been shown recently to undergo fast oxidation following rapid vaporization (∼100 μs at high heating rates of ∼105 °C/s). This release of vapor-phase Mg can potentially be exploited to react exothermically (ΔHr = −420 kJ/mol) with the B2O3 layer of boron, inducing surface disrputions and promoting its combustion. In this paper, we explore this effect by evaluating Mg NPs as additive fuel to B/CuO nanoenergetic composites. We observe that incorporating Mg as an additive fuel in B/CuO composites results in a ∼6-fold enhancement in reactivity with a ∼60% reduction in burn time. Through thermal and reaction product analysis along with high-speed time-of-flight mass spectrometry (T-jump/TOFMS) and ignition characterization, we investigate the reaction mechanism of Mg/B2O3 particles as a simulant system for the interaction of Mg with the B2O3 shell of boron. These characterizations reveal that exothermic heterogeneous reactions occur between vapor-phase Mg and the molten B2O3 shell of boron at ∼500–650 °C. The role of these exothermic surface reactions in inducing surface modifications and reactivity enhancement of boron particles is discussed.
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