稀有金属 2007,(04),526-532 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.04.003
稀土氧化物对高氯酸铵热分解的作用及机制
吴燕利 胡建东 胡春燕 李永绣
南昌大学稀土与微纳功能材料研究中心,南昌大学稀土与微纳功能材料研究中心,南昌大学稀土与微纳功能材料研究中心,南昌大学稀土与微纳功能材料研究中心,南昌大学稀土与微纳功能材料研究中心 江西南昌330047,江西南昌330047,江西南昌330047,江西南昌330047,江西南昌330047
摘 要：
采用草酸沉淀法、碳酸氢铵沉淀法和乙二醇溶胶凝胶法制备了多种稀土氧化物, 用差热分析技术比较了不同稀土氧化物对高氯酸铵热分解的催化作用。结果表明:所有稀土氧化物均能使高氯酸铵的第一放热峰滞后, 而第二放热分解峰提前;随着稀土添加量的增加, 两分解峰逐渐靠近, 最终合并为一个分解放热峰, 分解热也大大提高。不同稀土氧化物种类对高氯酸铵热分解的催化作用有一定的差异, 轻稀土镨和钕的氧化物使分解峰表现为前弱后强的两个相连的峰, 中稀土钐和钆的氧化物表现为单一的强峰, 而重稀土铒和镱的氧化物表现为前强后弱的两个分立的放热峰。对于同一种稀土氧化物, 制备方法的不同对催化高氯酸铵的热分解也有差异, 这与产物的比表面积有关, 随着产物比表面积的增加, 催化效果越明显。用能带理论解释了氧化稀土对AP热分解过程的影响, 把氧化稀土作为半导体来考虑, 正是由于它们储存和释放电子的功能性质导致了AP第一分解峰的滞后和第二分解峰的提前。
关键词：
稀土氧化物 ;高氯酸铵 ;催化热分解 ;
中图分类号： O611.3
作者简介： 李永绣 (E-mail:yxli@ncu.edu.cn) ;
收稿日期： 2006-10-11
基金： 国家自然科学基金 (59764001, 201610002); 江西省教育厅重点项目 (2006) 资助;
Role and Mechanism of Rare Earth Oxides in Decomposition of Ammonium Perchlorate
Abstract：
Various rare earth oxides were synthesized respectively by precipitation with oxalate acid, ammonium bicarbonate as well as glycol sol-gel methods.Their catalytic effects on the decomposition of ammonium perchlorate (AP) were studied using differential thermal analysis (DTA) techniques.It can be seen from their DTA curves that the addition of rare earth oxides could make the first exothermal peak of ammonium perchlorate hysteresised and the second exothermal peak advanced.With the addition amount of rare earth oxide increasing, the two exothermal peaks of AP came closer and finally merge into one strong peak with a great increase of decomposition heat.The catalyzing action caused by different rare earth oxides was different.Two adjacent exothermal peaks with former weak and later strong were observed in the DTA curves of AP mixed with 5% lighter rare earth oxides Pr6O11 or Nd2O3, one strong peak for middle rare earth oxides Sm2O3 or Gd2O3, and two separated peaks with former strong and later weak for heavier rare earth oxides Er2O3 or Yb2O3.Difference also existed among the Gd2O3 powders prepared by different methods, which was attributed to the difference of their specific surface area.The catalytic activity of oxides increased with their specific surface area increasing.The effect of rare earth oxides on the thermal decomposition of AP was explained by energy band theory.Rare earth oxides can be considered as typical semiconductors.It was their functional property of storing and releasing electron that resulted in the hysteresising of first exothermal peak or advancing of the second exothermal peak.
Keyword：
rare earth oxide;ammonium perchlorate;catalytic thermal decomposition;
Received： 2006-10-11
高氯酸铵 (AP) 是复合固体推进剂常用的氧化剂, 它的热分解性能对固体推进剂的燃烧过程有很大的影响。 为了提高AP的推进效果, 国内外对它的热分解开展了广泛研究, 尤其是各种添加剂对AP热分解过程的影响
[1 ,2 ,3 ,4 ]
。 近期, Boldyrev
[4 ]
对AP的结构、 性能及其在各种添加剂或外界条件下的热分解性能和机制研究结果进行了系统的归纳和总结。 在国内, 南京理工大学在AP的催化热分解研究上取得了一些很好的结果。 包括过渡金属氧化物
[5 ,6 ]
、 稀土氧化物
[7 ,8 ]
、 金属粉末
[9 ]
以及它们的混合物
[10 ,11 ]
对AP热分解的催化作用。 例如: 杨毅等
[11 ]
分别制备了过渡金属氧化物纳米粒子 (Fe2 O3 , CuO和Co2 O3 ) 和稀土金属氧化物纳米粒子 (CeO2 , Nd2 O3 和Y2 O3 ) , 并进行相互组合。 研究了过渡金属氧化物与稀土金属氧化物纳米粒子对高氯酸铵热分解的催化作用, 发现不同的纳米金属氧化物及其组合物有不同的催化活性, 以纳米Co2 O3 和Y2 O3 对AP热分解的催化效果最好, 其催化机制被认为是纳米催化剂与AP的离解产物形成不同形式络合物实现的。 采用溶剂-非溶剂法制备了纳米Nd2 O3 +AP 复合粒子
[7 ]
, 提高了纳米Nd2 O3 在AP中的分散性, 增加了它们之间的接触面积, 增强了纳米Nd2 O3 对AP的催化作用。 这为改善推进剂燃速性能提供了一条可行途径。 本文比较研究了多种稀土氧化物对AP热分解的催化作用以及氧化物的制备方法对催化效果的影响程度, 探讨了稀土氧化物催化AP的热分解机制。
1 实 验
1.1 稀土氧化物的制备
草酸沉淀法: 分别取1 g Sm, Yb, Nd, Pr, Er, Gd 6种稀土氧化物, 在烧杯中加入10 ml盐酸溶解, 配成50 ml的溶液。 在加热条件下加入含2 g草酸的热溶液, 充分搅拌, 使稀土完全沉淀。 陈化2 h后过滤, 得到草酸稀土沉淀。 将沉淀放入坩埚中, 于马弗炉中800 ℃下煅烧1 h, 冷却后取出, 得到相应的稀土氧化物。 产物标记为[C]。
碳酸氢铵沉淀法: 参考文献
[
12 ,
13 ,
14 ]
中的方法, 在氯化钆溶液中以物质的量之比NH4 HCO3 ∶GdCl3 =2.8加入碳酸氢铵溶液沉淀, 将所得碳酸钆悬浮液于50 ℃的水浴锅中热陈化4 h, 使碳酸钆成为结晶型沉淀, 在搅拌下继续补加碳酸氢铵溶液至钆沉淀完全, 继续陈化30 min, 过滤, 洗涤, 于800 ℃下煅烧1 h, 得氧化钆。 产物标记为[T]。
乙二醇溶胶-凝胶法
[15 ,16 ]
: 称取一定量的Gd2 O3 , 加硝酸使之完全溶解, 蒸发结晶得到Gd (NO3 ) 3 ·n H2 O (通过EDTA容量法测定钆量以确定水合硝酸钆结晶水数量) 。 控制乙二醇与Gd (NO3 ) 3 ·n H2 O的合适比例, 混合后在70 ℃下加热回流2 h, 将生成的溶胶置于90 ℃烘箱中干燥至形成干凝胶, 将得到干凝胶在700 ℃煅烧2 h, 得到白色的纳米Gd2 O3 粉体。 产物标记为[Y]。
1.2 DTA分析
取纯AP, 或按一定比例将稀土氧化物与高氯酸铵充分研磨得到AP与稀土氧化物的混合物。 用 (CDR-4P, 上海精密科学仪器有限公司) 热分析仪对混合物进行热分解实验, 试样量3 mg, 在静态空气气氛中以10 ℃·min-1 的升温速度加热, 起始温度为30 ℃, 终止温度为600 ℃。
2 结果与讨论
2.1 氧化钆的对高氯酸铵热分解的影响
图1为掺有不同量的由乙二醇溶胶-凝胶法制得的氧化钆的高氯酸铵的DTA曲线比较。 表1中对比列出了AP及其掺入氧化钆后的DTA数据结果。 在纯高氯酸铵的DTA曲线上可以观察到一个吸热峰和两个放热峰, 吸热峰的峰值温度为242 ℃, 对应于AP的相转变。 两个放热峰的峰温分别位于315.6和412 ℃, 对应于AP的两阶段热分解过程。 其中第一放热峰的热效应大, 而第二放热峰的热效应小。
图1 掺有不同量的由乙二醇溶胶-凝胶法制得的氧化钆的高氯酸铵的DTA曲线比较
Fig.1 Comparison of DTA curves of AP doped with different amounts of Gd2 O3 prepared by glycol sol-gel method
图1结果表明: 氧化钆的加入显著影响了AP的热分解过程, 而且随着加量的增加, 影响越大。 当加量为2%时, 第一放热峰的峰温稍有提高, 而峰强度明显增强, 同时, 第二放热峰几乎看不到。 当加量提高到5%时, 第一放热峰的峰温有较大幅度的提高, 由纯AP的315.6 ℃升高到359.6 ℃, 峰强度与纯AP的相比也有大的提高。 与此同时, 在该峰后面紧跟着一个尖锐的放热峰, 峰值温度在369 ℃。 随着氧化钆加量继续增加到10%, 第一放热峰的峰温继续升高, 到369.1 ℃, 强度也有所增加, 紧跟其后的是一个更强的放热峰, 峰温为369 ℃, 几乎与第一放热峰重合。
上述事实说明: 氧化钆的加入能显著改变AP的热分解过程和大大提高分解反应的热效应。 而且稀土氧化物的添加比例越高, 影响越显著。 其直接的结果是提高了AP的分解热和起始分解温度。 使两个分立的相对较弱的放热峰相互靠近并最终可以合并成一个非常强的放热峰。 这对提高AP的爆炸力和使用安全性是十分有利的。
2.2 氧化钆的制备方法对AP热分解的影响
从催化作用的特点来看, 稀土氧化物与高氯酸铵接触越好, 其催化效果也会越好。 因此, 强化氧化钆与AP之间的相互接触是提高AP热爆炸力的有效方法。 在以前的一些研究中也曾证明了添加剂的比表面积与催化分解性能之间具有正比关系。 为此, 我们分别比较了3种不同方法制备的氧化钆以5%的掺入量时对AP热分解性能的影响, 结果也列入表1中。 结果表明: 3种方法制备的氧化钆对AP的催化热分解效果都很好, 但仍然表现出明显的差异。 用乙二醇溶胶凝胶法制备的Gd2 O3 的比表面最大 (大于50 m2 ·g-1 ) , 因此其催化热分解效果也是最好的, 能够使高氯酸铵的高温放热峰的起始温度降到最低 (354.5 ℃) 。 碳酸氢铵沉淀法制备的氧化钆的比表面积在5～6 m2 ·g-1 , 而用草酸沉淀法制备的Gd2 O3 的比表面积在1 m2 ·g-1 左右。 它们催化AP分解的放热峰温度分别为356.5和361.6 ℃。 最强峰的温度大小次序与它们对应的比表面大小次序相反, 证明提高氧化物的比表面积可以提高AP的热爆炸力, 但不存在直接的线性关系。 说明催化作用的产生主要来源于样品化合物的类型, 其次才是它们的表面积大小。
表1高氯酸铵及其含稀土氧化物样品DTA曲线上相变及热分解峰的温度比较
Table 1 Comparison of temperature of phase transformation and thermal decomposition peak on DTA curves of AP and its mixtures with rare earth oxides
Samples
Phase trans-
First exothermal
The second
AP
241.5
315.6
2%Gd2 O3 [Y]+AP
244.5
316.8
5%Gd2 O3 [Y]+AP
247.8
337.8
359.6
10%Gd2 O3 [Y]+AP
247.3
346.6
369.1
5%Gd2 O3 [C]+AP
242.4
361.6
5%Gd2 O3 [Y]+AP
240.9
354.5
5%Gd2 O3 [T]+AP
241.3
356.5
5%Pr6O11[C]+AP
242.5
362.8
5%Nd2 O3 [C]+AP
240.6
333.1
366.3
5%Sm2 O3 [C]+AP
241.0
367.8
5%Er2 O3 [C]+AP
241.1
348.1
358.8
5%Yb2 O3 [C]+AP
239.1
332.0
364.0
* 表中[Y], [T], [C]分别表示为用乙二醇溶胶-凝胶法、 碳酸氢铵沉淀法和草酸沉淀法制备的产物
2.3 稀土氧化物种类对AP热分解性能的影响
采用草酸沉淀法分别制备了轻、 中、 重稀土氧化物。 并以5%重量比与AP混合, 分别进行DTA分析, 结果如图2。 由图2可知, 各种稀土氧化物对AP的热分解过程都有显著的影响, 能很好地催化AP的热分解, 但也存在一定的差异。 在添加量为5%的情况下, 轻稀土镨和钕的氧化物使AP的分解峰表现为前弱后强的两个相连的峰, 中稀土钐和钆的氧化物则使AP的分解峰为单一的强峰, 而在重稀土铒和镱的氧化物存在下, AP的分解峰为前强后弱的两个分立的放热峰。
图2 混有5%不同稀土氧化物的AP的DTA曲线
Fig.2 DTA curves of AP mixed with 5% different rare earth oxides
2.4 红外光谱分析
图3为不同方法制备的氧化钆、 AP及其与5%的氧化钆混合后的红外光谱图比较。 结果表明: 由不同方法制备的氧化钆的红外光谱中各吸收峰的位置基本一致, 但相对强度有显著的差别。 与氧化钆在542 cm-1 处的Gd-O伸缩振动峰强度相比, 随着产物比表面积的增加, 与水分子和碳酸根相关的振动峰的强度大大增强, 说明它们对水和二氧化碳的吸附能力增强。 与纯AP的红外光谱相比, 混有氧化钆的AP的红外吸收峰位置变化不大 (表2) , 例如: NH4 + 在3133 cm-1 处的伸缩振动吸收峰在混合物中也基本上在这一位置, 只是在与高比表面氧化钆混合后才有几个波数的减少。
图3 3种不同制备方法的Gd2O3 (a) , AP及其AP与5%Gd2O3混合物 (b) 的红外光谱图
Fig.3 IR spectra of Gd2 O3 powders prepared by three different methods (a) , AP and its mixtures with 5%Gd2 O3 powders (b)
表2 Gd2O3, AP及其AP与5%Gd2O3混合物的红外光谱数据比较 (cm-1)
Table 2 Comparison of IR data (cm -1 ) of Gd 2 O 3 AP and mixture of AP+Gd 2 O 3
AP
Gd2 O3
AP+5%Gd2 O3 [T]
AP+5%Gd2 O3 [C]
AP+5%Gd2 O3 [Y]
3445.5
3133.3 (NH4 + υ3 )
3133.7
3134.3
3126.2
1615
1631.5
1633.8
1629.3
1633.8
1508.1
11395.3; 1400.7 (NH4 + υ4 )
1404.4
1401.8 (1396-1408)
1401.7 (1396-1408)
1409.3 (1392-1413)
1141.7; 1110.9; 1087.7 (ClO4 , υ3 )
1139.8; 1110.8; 1089.8
1139.8; 1110.8; 1089.2
1141.4; 1114.7; 1089.6
1121.6
939.6 (ClO4 , υ3 )
940.4
940.1
940.3
856.1
636.0
635.6～627.5
636.4～627.5
627.8～636.4
542.1 (νGd-O )
540.6
542.0
543.9
说明在混合物中氧化钆与AP之间虽然有些化学相互作用, 但不明显。 根据文献
[
2 ,
3 ]
中的实验结果, NH4 + 在3133 cm-1 处和ClO4 - 在1140～1089 cm-1 之间的伸缩振动吸收峰随着温度的升高而变化。 因此, 不能否定AP与氧化钆之间在高温下有强的化学相互作用, 进而对AP的热分解产生影响。
2.5 稀土氧化物对AP热分解的催化作用机制
关于AP热分解的机制已有广泛的研究, 但仍没有达到一致的认识。 主要有两个方面的观点, 即: 质子转移机制和电子传递机制。 其分解过程中的几个主要反应为:
[ 1 ] 电 子 由 C l Ο 4 - 转 移 给 Ν Η 4 + C l Ο 4 - + Ν Η 4 + → C l Ο 4 + Ν Η 4
[ 2 ] 质 子 由 Ν Η 4 + 转 移 给 C l Ο 4 - C l Ο 4 - + Ν Η 4 + → Η C l Ο 4 + Ν Η 3
[3] 由于Cl-O键的断裂而导致ClO4 - 的热分解
C l Ο 4 - → C l Ο 3 - + Ο
实际上, 在具体的热分解过程中, 两种机制都有可能发生, 只是在不同的场合, 其发生与否或发生的相对程度不同而已。 因此, 要具体情况具体分析, 不能因为质子转移的优势而否定电子传递的存在, 或因为电子传递的主要作用而掩盖质子转移的存在。 在具体的讨论中, 我们不妨分别从化学蹬和物理的相互作用来认识某一反应体系的过程机制。
AP的热分解一般认为是一种固-区多相反应, 存在离解与升华的过程:
NH4 ClO4 =NH3 (吸附态) +HClO4 (吸附态) =
NH3 (气态) +HClO4 (气态)
AP的分解包括高温和低温热分解两个主要阶段, 其低温热分解阶段主要是固-气多相反应, 在适当温度下发生离解与升华, 进入气相的NH3 和HClO4 接着发生系列反应, 产物有N2 O, O2 , Cl2 , H2 O和少量的NO; AP的高温分解阶段主要是气相反应, 产物有NO, O2 , Cl2 和H2 O等。
文献
[
7 ,
8 ,
10 ,
11 ]
认为: 在催化过程中, 有金属高氯酸中间体化合物的形成, 它们会减小高氯酸铵分解的初始活化能, 从而加速高氯酸铵的热分解。 另一方面, 过渡元素的原子或离子共具有9个价电子轨道, 这种电子的构型具有接受配位体孤电子对的条件, 它们的原子和离子具有形成络合物的倾向。 因此, 可以认为过渡金属氧化物 (如Co, Ni, Cu等的氧化物) 可以通过在高温下形成的金属离子或原子与AP离解生成的NH3 形成络合物的形式实现催化作用, 络合物的形成有利于离解平衡向右移, 促使反应加速, 表现为分解峰温降低。 但是, 中间体化合物的形成是否能降低反应活化能或如何降低活化能还有待进一步证明。 因为AP的放热分解反应被认为是氨或高氯酸分子的热分解, 放出N2 O, O2 , Cl2 , H2 O和NO等气体产物。 一般认为: 反应物被稳定化意味着反应活化能的提高, 产物的被稳定化则导致热效应的增多。 从化学相互作用的观点来看, 能与氨形成配合物的过渡金属氧化物或金属对AP热分解的催化作用可以认为是由于氨配合物的形成导致的质子转移, 有利于HClO4 分子的形成, 并由HClO4 的热分解来起爆后续的分解反应。 因此, 它们可以使AP的低温和高温分解峰同时提前。 而对于像Fe2 O3 等不能与氨形成配合物的金属氧化物对AP产生的催化效果, 不是通过形成氨络合物的形式实现的。 它们与ClO4 - 的配位不能促进氨和高氯酸分子的形成, 也就不能很好地通过化学相互作用的形式来催化AP的热分解反应。
稀土氧化物的性质应该与氧化铁类似, 它们与氨的配位很弱, 但与水分子的结合能力较强。 因此, 从化学相互作用的角度来看, 应该从分解产物的稳定性来说明。 由于稀土元素特殊的4f电子层结构和多个价电子轨道, 能够形成与d区过渡元素不同的离子型络合物, 并特别容易与H2 O形成络合物[RE (H2 O) n 3+ 。 ClO4 - 被认为是配位能力很弱的配体, 因此, [RE (ClO4 ) n 3+ 络合物的形成趋势应该很小, 对AP分解反应的影响也可以忽略。 从AP的分解反应式可以看到, AP的高温和低温热分解反应均有大量的H2 O产生, 非常有利于络合物[RE (H2 O) n 3+ 的形成。 若要考虑稀土与高氯酸根的配位作用, 那么, 在AP的高温离解和升华过程中, 产生的气态HClO4 与纳米稀土离子形成络合物[RE (ClO4 ) n 3+ , 将会使反应减速。 所以, 稀土化合物对AP的低温分解有阻碍作用, 但对高温热分解反应有催化作用。 这一点与本文的结果相符合。
上述不同稀土元素的催化性能差异与氧化物的碱性没有直接的关系, 也与稀土氧化物的水化能力次序没有直接的关系。 因此, 氧化稀土催化AP的分解过程与质子转移机制的相关性不大。 常温红外光谱的数据也表明稀土与高氯酸铵之间的化学作用不明显。 所以, 单纯从化学相互作用的观点不能完全解释本文的实验现象。
过渡金属氧化物对AP的催化分解主要是通过氧化还原循环中加速电子转移而使AP提前分解
[4 ,5 ]
。 因此, 添加剂的导电性质及其与AP的接触程度对热分解有重要影响。 许多过渡金属氧化物具有半导体特性, 如CuO, Co2 O3 是p-型半导体, Fe2 O3 是n-型半导体
[5 ,10 ]
。 而氧化稀土也具有半导体性质, 具备有接收和传递电子的能力。
刘磊力等
[9 ]
研究了不同金属粉体和不同颗粒大小和用量比对AP热分解的影响。 结果表明: 金属粉末的添加均对AP的高温分解有显著的催化作用, 且纳米粉比微米粉的催化效果更好。 但对于AP的低温分解, 纳米铜粉因为其特殊的作用, 在其研究的加量质量分数范围内均催化了AP低温分解反应, 可使AP的低温分解温度降低35.1 ℃; 而纳米镍粉和铝粉却能使AP的低温分解温度有所上升, 表现出对AP低温分解反应具有一定的阻碍作用。 增加纳米金属粉的含量可以增强对AP的高温分解反应催化作用, 但同时也增加了对AP低温分解反应的阻碍作用。 作者认为: 吸附于AP 表面的纳米金属粉显然将阻碍AP分解产物进入气相的升华过程, 从而阻碍AP的低温分解过程, 使分解温度上升。 同时认为这一现象还与金属的导热率较高有关。 在含量相同时, 微米级金属粉因为颗粒较大, 对AP 低温分解的离解与升华过程不会起到明显的阻碍作用, 均可降低AP的低温分解温度, 表现出对AP的低温分解反应有一定的催化效果。
金属是良好的导体, 从促进电子传递的性能来看要明显优于半导体性质的金属氧化物。 上述实验结果表明, 在AP的低温分解阶段, 电子传导不认为是速度控制步骤, 或者说高氯酸铵内部离子之间的电子传导可以直接完成而不需要通过外来导体。 相反, 这些导体的存在会分散分子内的电子传导, 使低温分解温度升高, 反应滞后。 但是这些分散在导体上的电子可以为后续分解反应提供电子支持, 进而使AP的高温分解反应提前进行, 产生明显的催化作用。 添加剂的颗粒越细, 与AP接触的表面积越大, 转移电子和释放电子的能力也越强, 使低温分解峰温度升高和高温分解峰的降低幅度增大, 最后使两个分解峰合并为一个峰。 这一效果与本文稀土氧化物的效果类似。 氧化稀土及其他半导体化合物同样可以对加热过程中AP分子内的电子起储存、 转移和集中释放作用。 根据能带理论, 氧化稀土在受热过程中, 其处于价带上的电子可以被热激发而跃迁到导带上, 实现电子与空穴的分离, 同时, AP分子内部的电子也可以迁移到稀土氧化物上, 进入其导带, 起到储存电子的作用, 削弱了AP分解反应过程的电子转移进程, 使低温分解峰温度升高。 随着温度的进一步升高, 由于粒子运动速度的加快和能量的提高, 带隙能降低。 当降低到一定程度后, 导带上储存的电子将集中释放出来, 进而大大促进AP的高温分解反应, 使高温分解峰温度明显降低, 产生显著的催化作用。
3 结 论
采用差热分析技术研究了稀土氧化物对高氯酸铵 (AP) 热分解性能的影响。 结果表明: 在AP中加入稀土氧化物, 可以使AP的低温分解峰温度升高, 而高温分解峰温度下降。 加入的比例越高, 对高氯酸铵的热分解催化效果越好, 最终可合并为一个强的放热峰。 因此, 稀土氧化物的加入不能提高其使用和运输过程中的安全性, 而且大大提高了高氯酸铵的分解热。 不同稀土氧化物种类对高氯酸铵热分解的催化作用有一定的差异。 在5%添加量的情况下, 轻稀土镨和钕的氧化物使分解峰表现为前弱后强的两个相连的峰, 中稀土钐和钆的氧化物表现为单一的强峰, 而重稀土铒和镱的氧化物表现为前强后弱的两个分立的放热峰。 稀土氧化物对AP热分解性能的影响和机制可以用半导体能带理论来解释。 是稀土氧化物在升温过程中对电子的储存与集中释放功能导致了它们对AP低温分解反应的阻碍和高温分解反应的强催化作用。
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