Pt/C催化剂的TEM照片
随着核能的不断开发利用, 各种聚变、裂变反应堆将产生大量的含氚废水。氚具有放射性, 其氧化物即氚化水对人体也有非常大的危害, 因此需要对含氚废水进行去氚化处理, 从而减少对环境的污染。此外, 以重水作为慢化剂的动力堆, 随着反应堆运行时间的增加, 重水中氕含量会不断积累, 这将导致重水丰度降低, 进而影响对中子的慢化性能。目前, 实现重水提氚, 氚提纯和重水生产等主要方法之一是通过氢同位素的催化交换,而按其相转移方式不同可采用蒸汽相催化交换技术(VPCE)、液相催化交换技术(LPCE)、组合电解催化交换技术(CECE)等。液相催化交换由于具有低能耗和高分离因子等特点, 成为国内外研究的重点。
疏水催化剂是实现LPCE反应的关键, 其原理是利用催化剂的疏水性, 避免低温下液态水覆盖活性金属, 以免造成氢气(在液态水中氢气的溶解度低且扩散速率慢)、汽态水等气相反应物无法到达催化剂活性位点, 使催化剂“中毒”。原则上,疏水性催化剂的制备方式与常规的亲水性催化剂相同, 二者之间的主要区别在于载体性质和疏水方法等。目前, 国内外报道主要集中在提高催化剂的活性、稳定性以及掺杂非贵金属来降低它们的成本等。陶瓷球具有较高的强度、耐热性, 以此为载体的疏水催化剂具有较好的装填性, 其形状和强度较适用于工程化规模的氢−水同位素交换分离。
中国科学技术大学叶林森等人采用浸渍−液相还原法合成Pt/C催化剂, 以聚四氟乙烯(PTFE)为疏水材质, 多孔陶瓷球为支撑载体制备出0.8wt%Pt-C-PTFE 的球形(φ5.5mm)疏水催化剂。通过透射电镜(TEM)、X射线能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)等分析了催化剂的物理性能, 液相催化反应进行了水去氘化的氢同位素交换性能表征。结果表明, Pt/C催化剂中金属铂负载量小于20%时, 铂粒子平均粒径可以控制在2.4 nm 左右。铂粒子价态为Pt0、Pt2+、Pt4+, 其中零价态铂含量约为60%。金属铂负载量、疏水催化剂的装填比及交换温度对其总传质系数有较大影响。纳米铂单质和其氧化物共同作用实现催化交换。