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En este artículo

  • Resumen
  • Resumen
  • Introducción
  • Protocolo
  • Resultados
  • Discusión
  • Divulgaciones
  • Agradecimientos
  • Materiales
  • Referencias
  • Reimpresiones y Permisos

Resumen

Los reactores de membrana permiten la hidrogenación en condiciones ambientales sin entrada directa deH2 . Podemos rastrear la producción y utilización de hidrógeno en estos sistemas utilizando espectrometría de masas atmosférica (atm-MS) y espectrometría de masas por cromatografía de gases (GC-MS).

Resumen

La hidrogenación industrial consume ~ 11 Mt de gas H2 derivado de fósiles anualmente. Nuestro grupo inventó un reactor de membrana para evitar la necesidad de utilizar gasH2 para la química de hidrogenación. El reactor de membrana obtiene hidrógeno del agua e impulsa reacciones utilizando electricidad renovable. En este reactor, una pieza delgada de Pd separa un compartimiento de producción de hidrógeno electroquímico de un compartimiento de hidrogenación química. El Pd en el reactor de membrana actúa como (i) una membrana selectiva de hidrógeno, (ii) un cátodo y (iii) un catalizador para la hidrogenación. En este documento, informamos el uso de espectrometría de masas atmosférica (atm-MS) y espectrometría de masas por cromatografía de gases (GC-MS) para demostrar que un sesgo electroquímico aplicado a través de una membrana de Pd permite una hidrogenación eficiente sin entrada directa deH2 en un reactor de membrana. Con atm-MS, medimos una permeación de hidrógeno del 73%, lo que permitió la hidrogenación de propiofenona a propilbenceno con 100% de selectividad, según lo medido por GC-MS. A diferencia de la hidrogenación electroquímica convencional, que se limita a bajas concentraciones de material de partida disuelto en un electrolito prótico, la separación física de la producción de hidrógeno de la utilización en el reactor de membrana permite la hidrogenación en cualquier disolvente o en cualquier concentración. El uso de altas concentraciones y una amplia gama de disolventes es particularmente importante para la escalabilidad del reactor y la futura comercialización.

Introducción

Las reacciones termoquímicas de hidrogenación se utilizan en ~20% de toda la síntesis química1. Estas reacciones requieren grandes cantidades de gasH2 , que generalmente se derivan de combustibles fósiles, temperaturas entre 150 °C y 600 °C, y presiones de hasta 200 atm2. La hidrogenación electroquímica es una forma atractiva de eludir estos requisitos e impulsar reacciones de hidrogenación utilizando agua y electricidad renovable3. Para la hidrogenación electroquímica convencional, una materia prima insaturada se disuelve en un electrolito prótico en una celda electroquímica. Cuando se....

Protocolo

1. Laminación de Pd

  1. Limpie la barra de obleas de Pd con una mezcla de hexanos usando un paño de algodón.
    PRECAUCIÓN: El hexano es inflamable, un peligro para la salud, un irritante y perjudicial para el medio ambiente. Trabaje bajo ventilación adecuada (es decir, un snorkel o una campana extractora).
  2. Enrollar la oblea de Pd con un rodillo manual hasta alcanzar un grosor de ≤150 μm, según lo determinado por un micrómetro digital.
  3. Enrollar el Pd con un rodillo automático hasta un espesor de 25 μm, según lo determinado por un micrómetro digital. Luego, corte el Pd resultante en las dimensiones deseadas (por ejemplo, 3.5 c....

Resultados

Atm-MS se utiliza para medir la corriente iónica del hidrógeno que se produce en el reactor de membrana. Podemos usar estas mediciones para cuantificar cuánto hidrógeno penetra a través de la membrana de Pd durante la electrólisis. Primero, se mide el hidrógeno que evoluciona desde el compartimiento de hidrogenación (Figura 3, a la izquierda de las líneas punteadas). Cuando la señal alcanza un estado estacionario, el canal se cambia al compartimiento electroquímico. El gasH2<.......

Discusión

La membrana de Pd permite la permeación de hidrógeno y la hidrogenación química. La preparación de esta membrana es, por lo tanto, importante para la eficacia del reactor de membrana. El tamaño de la membrana de Pd, la cristalografía y la superficie se ajustan para mejorar los resultados experimentales. Aunque el metal Pd puede desarrollar hidrógeno en cualquier espesor, las membranas de Pd se enrollan a 25 μm. Esta estandarización del espesor de la membrana asegura que el tiempo que tarda el hidrógeno en pene.......

Divulgaciones

Se han presentado y publicado solicitudes de patente basadas en la tecnología descrita en este trabajo: Berlinguette, C. P.; Sherbo, R. S. "Métodos y aparatos para realizar reacciones químicas y electroquímicas" Solicitud de patente estadounidense N.º 16964944 (PCT presentada en enero de 2019, entrada nacional julio de 2020), publicación N.º US20210040017A1 (publicada en febrero de 2021). Solicitud de patente canadiense N.º 3089508 (PCT presentada en enero de 2019, entrada nacional en julio de 2020), Publicación N.º CA3089508 (publicada en agosto de 2019). Datos de prioridad: Solicitud de patente provisional de EE.UU. n.º 62/622.305 (presentada en enero de 2018).

Agradecimientos

Agradecemos al Consejo Canadiense de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería (RGPIN-2018-06748), la Fundación Canadiense para la Innovación (229288), el Instituto Canadiense de Investigación Avanzada (BSE-BERL-162173) y las Cátedras de Investigación de Canadá por su apoyo financiero. Esta investigación se llevó a cabo gracias en parte a la financiación del Canada First Research Excellence Fund, Quantum Materials and Future Technologies Program. Agradecemos a Ben Herring en el UBC Shared Instrument Facility por su ayuda con el desarrollo del instrumento y el método GC-MS. Monika Stolar por sus contribuciones al desarrollo y edición de este manuscrito. Finalmen....

Materiales

NameCompanyCatalog NumberComments
Ag/AgCl Reference ElectrodeBASi research productsMW-2021Reference electrode
Analytical BalanceCole-ParmerRK-11219-03Instrument
Atmospheric Mass SpectrometerESS CatalySysNAInstrument
Bench Power SupplyNewark1550Instrument
Conductive Copper Foil Electrical Tape McMaster Carr76555A711Electrochemical cell assembly
DichloromethaneSigma Aldrich270997Reagent
Electric Rolling Press with Dual MicrometerMTI CorporationMR100AEquipment
Electrochemical glass H-cellUniversity of British Columbia glass blowingNAElectrochemical cell assembly
ESS catalysis QUADSTARESS CatalySysNASoftware
EthanolSigma Aldrich493511Reagent
Flat Rolling MillPepetolls18700AEquipment
Gas Chromatography Mass SpectrometerAgilentNAInstrument
GC-MS vialAgilent5067-0205Vial for GC-MS
HexanesSigma Aldrich1.0706Reagent
Hydrochloric AcidSigma Aldrich258148Reagent
Hydrogen peroxide solution (30% v/v)Sigma AldrichH1009Reagent
Isopropyl AlcoholSigma AldrichW292907Reagent
Masshunter Aquisition SoftwareAgilentG1617FASoftware
Micropipette (100 µL - 1000 µL)GilsonF123602instrument
Micropipette (20 µL - 200 µL) GilsonF123601Instrument
Mitutoyo Digital MicrometerUlineH-2780Instrument
Muffle FurnaceMTI CorporationKSL-1100XEquipment
Nitric acidSigma Aldrich438073Reagent
Nitrogen gasSigma Aldrich608661Reagent
Palladium (II) ChlorideSigma Aldrich520659Reagent
Pd wafer bar, 1 oz, 99.95%Silver Gold Bull.NAReagent
Platinum Auxiliary ElectrodeBASi research productsMW-1032Anode
PotentiostatMetrohmPGSTAT302NInstrument
PropiophenoneSigma AldrichP51605Reagent
Proton Exchange Membrane, Nafion 212Fuel cell store NAElectrochemical cell assembly
Sulfuric acid Sigma Aldrich258105Reagent

Referencias

  1. Rytter, E., Hillestad, M., Austbø, B., Lamb, J. J., Sarker, S., Lamb, J. J., Pollet, B. G. Chapter six - Thermochemical production of fuels. Hydrogen, Biomass and Bioenergy. , 89-117 (2020).
  2. Arpe, H. -. J. . Industrial Organic Chemistry. , (2017).
  3. Orella, M....

Reimpresiones y Permisos

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