Producción y utilización de hidrógeno en un reactor de membrana

Resumen

Los reactores de membrana permiten la hidrogenación en condiciones ambientales sin entrada directa de_H2 . 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 gas_H2 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 de_H2 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 gas_H2 , 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 gas_H2<.......

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.......

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ag/AgCl Reference Electrode	BASi research products	MW-2021	Reference electrode
Analytical Balance	Cole-Parmer	RK-11219-03	Instrument
Atmospheric Mass Spectrometer	ESS CatalySys	NA	Instrument
Bench Power Supply	Newark	1550	Instrument
Conductive Copper Foil Electrical Tape	McMaster Carr	76555A711	Electrochemical cell assembly
Dichloromethane	Sigma Aldrich	270997	Reagent
Electric Rolling Press with Dual Micrometer	MTI Corporation	MR100A	Equipment
Electrochemical glass H-cell	University of British Columbia glass blowing	NA	Electrochemical cell assembly
ESS catalysis QUADSTAR	ESS CatalySys	NA	Software
Ethanol	Sigma Aldrich	493511	Reagent
Flat Rolling Mill	Pepetolls	18700A	Equipment
Gas Chromatography Mass Spectrometer	Agilent	NA	Instrument
GC-MS vial	Agilent	5067-0205	Vial for GC-MS
Hexanes	Sigma Aldrich	1.0706	Reagent
Hydrochloric Acid	Sigma Aldrich	258148	Reagent
Hydrogen peroxide solution (30% v/v)	Sigma Aldrich	H1009	Reagent
Isopropyl Alcohol	Sigma Aldrich	W292907	Reagent
Masshunter Aquisition Software	Agilent	G1617FA	Software
Micropipette (100 µL - 1000 µL)	Gilson	F123602	instrument
Micropipette (20 µL - 200 µL)	Gilson	F123601	Instrument
Mitutoyo Digital Micrometer	Uline	H-2780	Instrument
Muffle Furnace	MTI Corporation	KSL-1100X	Equipment
Nitric acid	Sigma Aldrich	438073	Reagent
Nitrogen gas	Sigma Aldrich	608661	Reagent
Palladium (II) Chloride	Sigma Aldrich	520659	Reagent
Pd wafer bar, 1 oz, 99.95%	Silver Gold Bull.	NA	Reagent
Platinum Auxiliary Electrode	BASi research products	MW-1032	Anode
Potentiostat	Metrohm	PGSTAT302N	Instrument
Propiophenone	Sigma Aldrich	P51605	Reagent
Proton Exchange Membrane, Nafion 212	Fuel cell store	NA	Electrochemical cell assembly
Sulfuric acid	Sigma Aldrich	258105	Reagent