氢同位素分离载钯硅藻土复合材料钯的含量与分布调控

The Pd/K composite is used for the hydrogen isotope separation. The objective of this research project is to fabricate Palladium/kieselguhr (Pd/K) composite with Pd(acac)2 by a vacuum dipping-thermo decomposition method. The synthetic process is studied to uncover the adsorption mechanism in dipping process. Mechanism of static adsorption of the precursor in CHCl3 solvent is investigated experimentally and theoretically. Absorbing capacity and distribution of the precursor on kieselguhr, as well as that of Pd on kieselguhr, can be controlled by adjusting adsorption pressure, impregnation concentration and the other adsorption conditions. The co-adsorption mechanism of the palladium complex and the organic solvent in kieselguhr is investigated by solid-liquid absorption model. The correlation of palladium content, physical and chemical property, and the hydrogen isotope separation performance of the Pd/K composite is revealed experimentally and theoretically. The ultimate aim of this project is to improve the hydrogen isotope separation performance and longevity of Pd/K composite by optimizing the Pd distribution on the surface and in the internal pores of kieselguhr.

本项目以乙酰丙酮钯为前驱体真空吸附制备氢同位素分离载钯硅藻土复合材料，研究其浸渍合成过程，揭示其浸渍吸附机理。从实验和理论两方面，研究乙酰丙酮钯前驱体溶于三氯甲烷有机溶剂在多孔硅藻土中静态吸附的过程与机理。通过选用不同的吸附压力、浸渍液浓度和控制吸附条件，调控前驱体在硅藻土中的吸附量与分布，进而调控载钯硅藻土复合材料的钯负载量和分布，并利用固-液吸附模型模拟和研究硅藻土对乙酰丙酮和三氯甲烷共吸附的过程和机理。从实验和理论上揭示载钯硅藻土复合材料钯负载量、物理化学特性与分离性能三者之间的关系，并通过调整钯在硅藻土孔隙内部及表面的分布，达到提高分离材料的分离性能和使用寿命的目的。

氢同位素分离技术是实现氘氚聚变能最终利用的核心技术之一，在聚变反应堆的燃料循环和尾气处理方面发挥着重要作用。热循环吸附法和载钯硅藻土（Pd/K）复合材料是当前先进的氢同位素分离方法和材料，而Pd/K材料的性能很大程度上决定了TCAP系统的分离能力和效率，但目前存在钯负载量低、分布不均匀、制备周期长、使用寿命短等问题，制约了其在氢同位素分离中的工程化应用。本项目从实验和理论两方面入手，研究了以乙酰丙酮钯为前驱体的Pd/K材料制备方法、钯负载量和分布方式的调控手段、载体与浸渍液吸附模型分析以及所合成材料的吸放氢与抗粉化性能。通过研究提出了一种全新的高性能氢同位素分离材料制备方法，建立了Pd(acac)2-CHCl3制备Pd/K材料的可靠工艺路线，实现了Pd/K材料中钯的含量与分布的有效调控，提高了分离材料的分离性能和使用寿命。合成的Pd/K材料的钯负载量可达60wt.%以上，室温平台区吸氢容量超过0.6，室温100kPa氢压下吸氢饱和平衡时间在60s以内，吸放氢循环寿命超过4000次，多项性能达到国际先进水平。本项目的成功实施为高性能长寿命氢同位素分离材料及系统的研制提供了研究基础，对真正实现Pd/K分离材料的工程化应用具有重要的理论意义和应用价值。