多孔硅藻土负载Pd0.96Pt0.04合金的制备及其氢同位素分离热力学与动力学研究

本研究针对氢同位素分离中传统钯材料吸氢焓高、室温释放速率慢的问题，通过在多孔硅藻土（Kieselguhr, K）上负载Pd0.96Pt0.04合金（57.9 wt%），系统探究了载体与铂对氢吸收热力学及动力学的影响。结果表明，硅藻土显著扩大α相区并提升氢溶解度，而Pt的掺杂降低了吸氢焓，使材料在常温下更易操作。动力学分析显示氢扩散为速率控制步骤，经1000次循环后仍保持较高分离因子，为无置换气体色谱分离技术提供了新思路。

　　

论文解读

氢同位素（H₂、D₂、T₂）是核聚变反应堆的核心燃料，但其高效分离一直是技术难点。传统钯（Pd）材料虽具有显著的氢同位素效应，但吸氢焓高导致室温释放困难，需依赖置换气体，操作复杂且成本高昂。如何开发兼具低吸氢焓、高分离效率且耐用的材料，成为氢能领域的关键挑战。

中国的研究团队通过在多孔硅藻土上负载Pd_0.96Pt_0.04合金（Pd_0.96Pt_0.04/K），巧妙结合了载体的高比表面积优势与铂的电子调控作用。硅藻土的引入使合金比表面积大幅增加，氢溶解度提升；而4%铂的掺杂将吸氢焓降低至适合常温操作的范围。通过压力-组成-温度（p-c-T）测试和Chou模型动力学分析，团队发现氢扩散是速率控制步骤，且材料经1000次循环后仍保持较高分离因子（α），尽管SEM观察到部分合金颗粒脱落，但整体性能优于纯Pd或高铂含量合金。

关键技术方法
研究采用浸渍还原法，将Pd(acac)₂与Pt(acac)₂按96:4摩尔比溶解后负载于40-60目硅藻土，经氢气还原和1373 K热处理获得高结晶度合金。通过ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）测定金属负载量（Pd 53.8 wt%，Pt 4.1 wt%），XRD（X射线衍射）确认合金为单相面心立方结构。热力学与动力学实验在283-313 K温度范围内进行，结合SEM（扫描电镜）评估循环稳定性。

研究结果

1. 材料表征：XRD显示Pd_0.96Pt_0.04/K形成单一fcc相，硅藻土载体未改变合金晶体结构，但显著提升比表面积。
2. 热力学性能：p-c-T曲线表明硅藻土使α相区宽度增加，氢溶解度提高；Pt掺杂将吸氢焓降低至更适合常温应用的区间。
3. 动力学分析：氢吸收过程符合Chou扩散控制模型，速率常数随温度升高而增大。
4. 循环稳定性：1000次吸脱氢循环后，合金颗粒部分从载体脱落，但分离因子仍优于Pd-8 at.% Pt合金。

结论与意义
该研究首次报道了硅藻土负载Pd-Pt合金在氢同位素分离中的应用。Pd_0.96Pt_0.04/K通过载体与合金的协同效应，实现了低吸氢焓、高分离效率及适度循环稳定性的平衡，为无置换气体色谱技术提供了新材料基础。未来需进一步优化载体-合金界面结合力以提升耐久性。论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为聚变燃料纯化与氢能技术发展提供了重要参考。