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氢及其同位素在科研、工业、医学和国防等领域具有广泛的用途，同时还是核聚变反应的基本燃料，有望解决人类面对的能源危机。由于氢同位素的生产和应用的各个环节都涉及纯化和分离工艺，因此氢同位素分离技术的发展具有重要意义。热致循环法(Thermal Cycling Absorption Process，简称TCAP)分离氢同位素是20世纪80年代发展起来的氢同位素分离方法，是一种半连续的色谱分离方法，具有体积小、安全、效率高等优点。本文以TCAP同位素分离用载钯硅藻土(Pd/K)材料为研究对象，采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热致吸放氢循环设备等测试手段，系统研究了Pd/K材料的制备方法、储氢性能，并对其进行了热处理改性研究。
本文分别采用氯化钯逐次浸渍还原法、氯化钯浸渍焙烧法和硝酸钯铵热分解法制备出Pd/K-1、Pd/K-2和Pd/K-3三组样品。XRD分析表明，样品都是由纯钯和SiO2两相组成；SEM分析表明，三组样品中的钯分布状态分别为颗粒状、颗粒状+网状、致密网状，形貌差异主要来源于制备过程中的还原气氛和焙烧温度的不同。储氢性能测试表明：与纯钯相比，Pd/K-1样品的吸氢量降低了20％左右，平台压力略有升高，平台斜率增加，动力学性能提高一倍；Pd/K-2及Pd/K-3样品的PCT曲线与纯钯基本一致，饱和吸氢量仅有少量降低，吸氢动力学也优于纯钯。对Pd/K-1样品分别进行了2000次恒温和热致吸放氢循环，循环后样品的吸氢量基本不变，PCT曲线滞后变小；热致循环后样品动力学有所提高，恒温循环后样品动力学减慢；热致循环和恒温循环后样品的粉化率(<80目)分别为3.6％和5.4％，热致循环过程引入的热应力导致了比恒温循环更高的粉化率。对Pd/K-2样品进行了500-4000次热致循环，结果表明：循环后样品的PCT吸氢平台长度变化不大；在2000次循环内，随循环次数增加，动力学加快：而4000次循环后样品的动力学出现了衰退，但仍比新样品要快。对循环后样品粉化率的统计表明，在1000次循环内粉化较少，<100目颗粒质量仅占0.2％；随循环次数继续增加，粉化加剧，4000次后，<100目颗粒质量比例达到4.9％。对Pd/K-3样品进行900℃/1h、1000℃/1h和1100℃/1h的真空热处理，SEM观察发现，热处理后样品中钯由网状转变为细小颗粒状，随热处理温度升高，钯颗粒逐步经历形核和长大过程。储氢性能测试表明，热处理样品的吸放氢平台压升高，平台斜率增大，吸氢量减少，其中900℃和1000℃热处理样品的βmin(对应于PCT曲线中α相完全消失时的吸氢量)减少了10％以上，而1100℃热处理样品βmin降低了20％。动力学测试表明，热处理影响了钯表面活性，从而降低了其低温吸氢动力学，但在高温下吸氢动力学基本恢复。将热处理前后的Pd/K-3样品进行2000次热致吸放氢循环测试，Pd/K-3新样品及经历900-1100℃热处理样品在循环前后的吸放氢PCT性能及吸氢动力学性能基本相同。对热致循环后样品进行粉化分析表明，经900℃/1h热处理样品的粉化率仅为3.66％，而未热处理样品的粉化率为6.16％，因此热处理可明显改善Pd/K-3样品的抗粉化性能。SEM分析表明，样品的热处理改性主要通过控制样品中钯颗粒大小来降低其粉化率，当钯粒度低于1μm时，其粉化几率会大大降低。采用制备的Pd/K材料设计并装填了分离色谱柱，分离结果表明，对氢氘比2:8的原料气在-40～150℃温度下，经过5次全回流热致循环，可得到氘含量99.1％的产品气，表现了较好的分离效果。