石墨烯優化固體聚合物電解質電解法分離氫同位素的模擬分析

衛 飛 唐方東 劉佳煜 忻智煒 曾友石 楚鑫新 劉 衛

1（中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800）

2（中國科學院大學 北京 100049）

3（上海市計量測試技術研究院 上海 201203）

氫同位素對于現代分析方法和示蹤技術非常重要，在環境、能源、生命科學等［1?3］領域有著廣泛的應用，因此氫同位素的分離和提純具有十分重要的應用價值，受到國內外學者的廣泛關注。基于同位素在物理及化學性質上的差別，國內外已發展了多種分離方法，如蒸餾法［4?7］、化學交換法［7?8］、電解法［9］和激光分離法［10］等。其中，低溫精餾法［4］在重水生產、重水除氚等多個領域均有應用，但其分離系數小，熱量消耗大，運行控制要求高，不能廣泛商用；化學交換分離技術中的H2O-H2S 交換法［11］雖然分離系數高、能耗較低，但H2S 腐蝕性較強且有毒，具有安全隱患；激光分離法［10］雖然分離系數高，原料利用率高，但其工業規模生產尚未成熟，這促使研究人員不斷尋找更為高效、經濟、安全的氫同位素分離技術。日本學者 Saito［12］于 1996 年將固體聚合物電解質（Solid Polymer Electrolyte，SPE）用于水電解實驗，成功研制了SPE 氚濃縮裝置。相比其他分離方法，SPE電解法具有電解效率高、分離能力大、操作安全簡便等優點。SPE電解法可應用于低濃度氚化水的富集、含氚廢水的處理、低氘水的制備過程中［13?14］，對環境的監測保護具有重要意義。

膜電極是SPE 電解法分離氫同位素的主要部件，由質子交換膜、陰極催化劑和陽極催化劑組成。樣品水主要以H2O、HDO和HTO形式存在。在電解過程中，氫同位素在膜電極發生同位素效應，主要有三個步驟［15］：首先，由于氫同位素零點能的差異，H2O 優先在陽極側發生析氧反應，使得HDO、HTO等保留在陽極液相中；……