pdγ-al2o3催化剂上甲烷-氘化氢之间的氢氘交换性能研究.doc

Pd/γ-Al2O3催化剂上甲烷-氘化氢之间的
氢氘交换性能研究
韩 军，官 锐，胡 胜，任兴碧，熊亮萍
(中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900)
摘 要：利用浸渍法制备了Pd/γ-Al2O3催化剂，采用X射线粉末衍射(XRD)、X光电子能谱(XPS)和程序升温还原(TPR)等物理化学手段对其进行了表征，并在固定床微型反应器上考察了其催化活性。实验结果表明，载体内部有Pd元素，Pd和载体γ-Al2O3发生了强相互作用。在对甲烷与氘化氢间的氢氘交换反应中，Pd/γ-Al2O3催化剂显示出较好的催化活性。
关键词：钯催化剂；甲烷；氢氘交换
中图法分类号： 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2012)01-0064-05
磁约束聚变反应装置内，从被约束等离子体中逃逸出来的粒子轰击材料表面，可引起材料表面原子的物理和化学溅射，而第一壁是聚变堆中离等离子体最近的部件。为使结构材料免受等离子体逃逸粒子的溅射作用，目前的聚变堆概念设计采用在第一壁上覆盖一层低原子序数材料的办法，尽管如此，聚变反应过程中仍会产生各种杂质气体。氘氚等离子体在聚变反应堆或聚变-裂变混合堆等反应装置内经过一段时间反应后，随氦灰，和少量甲烷、水等杂质气体的增加，需排出装置进行净化处理[1-4]。等离子体排灰气处理系统是聚变堆和混合能源堆氚工厂中主要的子系统之一，除处理正常氘氚聚变反应产生的排灰气外，也处理反应堆其它非正常运行模式（如系统维护、壁材料净化等）产生的各种含氚杂质气体，以维持氚燃料自持，并将氚降至废气净化单元可以处理的量[2-5]。由于氚总量较大，基于环境保护及经济角度考虑，除分离回收排灰气中未反应的Q2（Q表示氢同位素原子，下同）形式存在的氘氚燃料外，还需回收各种化合物（甲烷、水）形式存在的氘氚[1-5]。
聚变反应堆排灰气中氘氚主要以氢气、碳氢化合物和水的形式存在。针对等离子体排灰气净化方面，德国、加拿大、日本和美国等国家已有较多研究。各国均普遍采用Pd/Ag合金膜分离器预处理排灰气，实现杂质气体与氢气分离，回收大部分DT气体[6-8]，另外对排灰气中甲烷、水中氘氚的回收，各国选择的技术路线各有差异，但都把具体的单元技术与Pd/Ag合金膜分离器结合，提高回收效率。而我国在排灰气氚循环方面，仅有少量Pd合金膜用于氢同位素分离方面的研究。
由于膜反应器的使用温度范围限制，对所使用的催化剂提出了更高的要求，必须在温度范围内使催化剂的催化活性达到最佳。经过研究人们发现镍和贵金属（如Rh、Ru、Pt、Ir、Pd等）对甲烷的氢氘交换反应具有催化活性。关于甲烷的氢氘交换反应的研究，国外大都偏向机理性的研究，而对此反应的工艺研究相对较少[7-14]。国内关于甲烷的氢氘交换反应的研究尚未见文献报道。本工作拟采用Pd/γ-Al2O3催化剂对甲烷的氢氘交换反应进行催化性能研究，另外，由于实验条件的限制，本实验采用的是甲烷和氘化氢反应体系，从而为等离子排灰气中以甲烷形式存在的氘氚的去除研究提供一定的依据。
1 实 验
催化剂用浸渍法制备，称取一定量的商品氧化铝, 经粉碎制成60～80目（175~246 µm）的γ-Al2O3载体, 取上述载体在573 K下焙烧(预处理)3