近日，中物院二所聚變裂變混合能源研究中心在超疏水超親氣體的催化劑制備及其氫-水同位素交換反應(yīng)性能研究方面取得新進(jìn)展，文章發(fā)表在環(huán)境與水處理方面權(quán)威期刊JHM上。

氫-水同位素交換反應(yīng)被廣泛應(yīng)用于水中氫同位素的分離、含氚廢水中氚的去除以及重水的生產(chǎn)。和氣相催化交換反應(yīng)（VPCE）相比，液相催化交換反應(yīng)（LPCE）由于具有較低的能耗和較高的氫同位素分離因子，得到了研究者的廣泛關(guān)注。在氫同位素交換反應(yīng)中，一個(gè)典型的問(wèn)題就是常見(jiàn)的親水催化劑會(huì)被水滴所浸潤(rùn)，導(dǎo)致作為反應(yīng)物的水蒸氣和氫氣無(wú)法到達(dá)催化劑的反應(yīng)活性位點(diǎn)。為了保證LPCE反應(yīng)的有效性，具有疏水性能的催化劑被開(kāi)發(fā)了出來(lái)，催化劑的多孔結(jié)構(gòu)保證了催化劑活性位點(diǎn)與反應(yīng)物的有效接觸。來(lái)自加拿大的W. H. Stevens等人率先制備了用于氫-水同位素交換的疏水催化劑。他們將Pt/Al2O3的表面覆以疏水的硅烷薄膜，起到了良好的疏水作用，反應(yīng)的催化活性也得到了很大的提高。從此，兩種常用的催化劑被開(kāi)發(fā)出來(lái)，包括Pt/SDB和Pt/C/PTFE。其中，SDB與PTFE具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，都用作疏水的載體。然而，兩種常見(jiàn)的催化劑的接觸角為約110度，通過(guò)特殊的制備方式，催化劑的接觸角可以提高到132度。

盡管進(jìn)一步提高催化劑的疏水性可以有效地提高催化劑的催化活性，但是接觸角大于150度的催化劑，也就是超疏水的催化劑目前還鮮有報(bào)道。目前常見(jiàn)的疏水催化劑有三種常見(jiàn)的問(wèn)題。首先，以Pt/SDB 為例，疏水膜會(huì)覆蓋部分催化劑活性位點(diǎn)；其次，水滴會(huì)粘附在常見(jiàn)的疏水催化劑的表面（圖1）；最后，Pt納米粒子會(huì)在長(zhǎng)期的運(yùn)行和催化劑再生過(guò)程中產(chǎn)生熔結(jié)，導(dǎo)致催化性能減弱。此外，大量的研究主要集中于優(yōu)化催化劑的顆粒與分布以及催化劑中疏水載體和催化劑的組分優(yōu)化。對(duì)于反應(yīng)中的液滴、氣泡、和催化劑表面的動(dòng)態(tài)接觸關(guān)系則少有研究。

圖1（A）常見(jiàn)的疏水催化劑Pt/SDB，水會(huì)部分覆蓋催化劑的表面，同時(shí)，氣泡會(huì)粘附在催化劑的表面。（B）超疏水，超親氣體的Pt@MIL-101/PVDF的催化劑表面排斥液體，并且吸附氣泡進(jìn)入氣膜內(nèi)部。

有鑒于此，本項(xiàng)目研究人員使用溶液法制備了一種超疏水超親氣體的Pt@MIL-101/PVDF催化劑。該催化劑的接觸角為156度，表現(xiàn)出了超疏水特性，有效防止了水對(duì)催化劑的浸潤(rùn)（圖2）。其次，該催化劑表現(xiàn)出了超親氣體的特性，其氣泡接觸角約為0度，保證了氣體與催化劑的有效接觸。使用掃描電子顯微鏡和吸附特性曲線對(duì)該催化劑進(jìn)行了形貌表征，進(jìn)一步驗(yàn)證了催化劑的多層孔狀結(jié)構(gòu)。此外，MIL-101將Pt納米粒子包覆于其孔中，可以有效避免催化劑在長(zhǎng)期使用過(guò)程中催化劑性能的減退。另外，研究人員對(duì)該催化劑的性能進(jìn)行了表征，并對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了討論。

超疏水超親氣體催化劑對(duì)氫-水同位素交換反應(yīng)性能具有明顯提升作用，該種催化劑設(shè)計(jì)理念為進(jìn)一步開(kāi)拓高性能疏水催化劑提供了思路。

圖2（A）Pt@MIL-101/PVDF催化劑水滴接觸角大于150度，為超疏水。（B）完整液滴在催化劑表面滾動(dòng)。（C）催化劑氣泡接觸角約為0度，為超親氣體。（D）浸沒(méi)于水中催化劑表面覆蓋一層氣膜。（E）水滴在催化劑表面彈跳。（F）氣泡迅速在催化劑表面破裂并進(jìn)入多孔催化劑中。

論文標(biāo)題：Superhydrophobicand superaerophilic hierarchical Pt@MIL-101/PVDF composite for hydrogen waterisotope exchange reactions。該研究得到國(guó)家磁約束聚變項(xiàng)目(2017YFE0301602, 2017YFE0300301, 2015GB106004)的資助。

來(lái)源：聚變裂變混合能源研究中心

編輯：王曉麗    編審：何佳恒