Name: hydrogen production and utilization in a membrane reactor
Uploaded: 2023-03-10T13:15:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Hydrogen Production and Utilization in a Membrane Reactor at JoVE.com

نحن ممتنون للمجلس الكندي لأبحاث العلوم الطبيعية والهندسة (RGPIN-2018-06748) ، والمؤسسة الكندية للابتكار (229288) ، والمعهد الكندي للأبحاث المتقدمة (BSE-BERL-162173) ، وكراسي الأبحاث الكندية للدعم المالي. تم إجراء هذا البحث جزئيا بفضل التمويل المقدم من صندوق كندا الأول للتميز البحثي ، وبرنامج المواد الكمومية والتقنيات المستقبلية. نشكر بن هيرينج في مرفق الأدوات المشتركة في جامعة كولومبيا البريطانية للمساعدة في تطوير أداة GC-MS والطريقة. نشكر الدكتورة مونيكا ستولار على مساهماتها في تطوير وتحرير هذه المخطوطة. وأخيرا، نشكر مجموعة بيرلينغيت بأكملها في جامعة كولومبيا البريطانية على دعمها المستمر وتعاونها في دراسة المفاعل الغشائي.

1. Pd المتداول
<ol><li>نظف شريط الويفر Pd بمزيج من الهكسان باستخدام قطعة قماش قطنية. تنبيه: الهكسان قابل للاشتعال ، ويشكل خطرا على الصحة ، ومهيجا ، وضارا بالبيئة. العمل تحت التهوية المناسبة (أي الغطس أو غطاء الدخان).</li>
	<li>لف رقاقة Pd باستخدام بكرة يدوية حتى يصل سمكها إلى ≤150 ميكرومتر ، ع...

<ol>
	<li>Rytter, E., Hillestad, M., Austb&#248;, B., Lamb, J. J., Sarker, S., Lamb, J. J., Pollet, B. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chapter+six+-+Thermochemical+production+of+fuels.">Chapter six - Thermochemical production of fuels.</a> Hydrogen, Biomass and Bioenergy. , 89-117 (2020).</li><li>Arpe, H. -. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Industrial Organic Chemistry. , (2017).</li><li>Orella, M. J., Rom&#225;n-Leshkov, Y., Brushett, F. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emerging+opportunities+for+electrochemical+processing+to+enable+sustainable+chemical+manufacturing.">Emerging opportunities for electrochemical processing to enable sustainable chemical manufacturing.</a> Current Opinion in Chemical Engineering. 20, 159-167 (2018).</li><li>May, A. S., Biddinger, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strategies+to+control+electrochemical+hydrogenation+and+hydrogenolysis+of+furfural+and+minimize+undesired+side+reactions.">Strategies to control electrochemical hydrogenation and hydrogenolysis of furfural and minimize undesired side reactions.</a> ACS Catalysis. 10 (5), 3212-3221 (2020).</li><li>Tang, B. Y., Bisbey, R. P., Lodaya, K. M., Toh, W. L., Surendranath, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reaction+environment+impacts+charge+transfer+but+not+chemical+reaction+steps+in+hydrogen+evolution+catalysis.">Reaction environment impacts charge transfer but not chemical reaction steps in hydrogen evolution catalysis.</a> ChemRxiv. , (2022).</li><li>Iwakura, C., Yoshida, Y., Inoue, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+hydrogenation+system+of+4-methylstyrene+using+a+palladinized+palladium+sheet+electrode.">A new hydrogenation system of 4-methylstyrene using a palladinized palladium sheet electrode.</a> Journal of Electroanalytical Chemistry. 431 (1), 43-45 (1997).</li><li>Inoue, H., Abe, T., Iwakura, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Successive+hydrogenation+of+styrene+at+a+palladium+sheet+electrode+combined+with+electrochemical+supply+of+hydrogen.">Successive hydrogenation of styrene at a palladium sheet electrode combined with electrochemical supply of hydrogen.</a> Chemical Communications. , 55-56 (1996).</li><li>Conde, J. J., Maro&#241;o, M., S&#225;nchez-Herv&#225;s, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pd-based+membranes+for+hydrogen+separation:+Review+of+alloying+elements+and+their+influence+on+membrane+properties.">Pd-based membranes for hydrogen separation: Review of alloying elements and their influence on membrane properties.</a> Separation and Purification Reviews. 46 (2), 152-177 (2017).</li><li>Wicke, E., Brodowsky, H., Z&#252;chner, H., Alefeld, G., VÖlkl, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen+in+palladium+and+palladium+alloys.">Hydrogen in palladium and palladium alloys.</a> Hydrogen in Metals II. Topics in Applied Physics., edited by Alefeld, G., V&#246;lkl, J. 29, (1978).</li><li>Sato, T., Sato, S., Itoh, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+a+hydrogen-permeable+palladium+membrane+electrode+to+produce+hydrogen+from+water+and+hydrogenate+toluene.">Using a hydrogen-permeable palladium membrane electrode to produce hydrogen from water and hydrogenate toluene.</a> International Journal Hydrogen Energy. 41 (12), 5419-5427 (2016).</li><li>Sherbo, R. S., Delima, R. S., Chiykowski, V. A., MacLeod, B. P., Berlinguette, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Complete+electron+economy+by+pairing+electrolysis+with+hydrogenation.">Complete electron economy by pairing electrolysis with hydrogenation.</a> Nature Catalysis. 1, 501-507 (2018).</li><li>Sherbo, R. S., Kurimoto, A., Brown, C. M., Berlinguette, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+electrocatalytic+hydrogenation+with+a+palladium+membrane+reactor.">Efficient electrocatalytic hydrogenation with a palladium membrane reactor.</a> Journal of American Chemical Society. 141 (19), 7815-7821 (2019).</li><li>Kurimoto, A., Sherbo, R. S., Cao, Y., Loo, N. W. X., Berlinguette, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrolytic+deuteration+of+unsaturated+bonds+without+using+D2.">Electrolytic deuteration of unsaturated bonds without using D2.</a> Nature Catalysis. 3, 719-726 (2020).</li><li>Jansonius, R. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogenation+without+H2+using+a+palladium+membrane+flow+cell.">Hydrogenation without H2 using a palladium membrane flow cell.</a> Cell Reports Physical Science. 1 (7), 100105 (2020).</li><li>Huang, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrolysis+can+be+used+to+resolve+hydrogenation+pathways+at+palladium+surfaces+in+a+membrane+reactor.">Electrolysis can be used to resolve hydrogenation pathways at palladium surfaces in a membrane reactor.</a> Journal of American Chemical Society Au. 1 (3), 336-343 (2021).</li><li>Delima, R. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selective+hydrogenation+of+furfural+using+a+membrane+reactor.">Selective hydrogenation of furfural using a membrane reactor.</a> Energy and Environmental Science. 15 (1), 215-224 (2021).</li><li>Sato, T., Takada, A., Itoh, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-temperature+hydrogenation+of+toluene+by+electrolysis+of+water+with+hydrogen+permeable+palladium+membrane+electrode.">Low-temperature hydrogenation of toluene by electrolysis of water with hydrogen permeable palladium membrane electrode.</a> Chemistry Letters. 46 (4), 477-480 (2017).</li><li>Maoka, T., Enyo, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Overpotential+decay+transients+and+the+reaction+mechanism+on+the+Pd-H2+electrode.">Overpotential decay transients and the reaction mechanism on the Pd-H2 electrode.</a> Surface Technology. 8 (5), 441-450 (1979).</li><li>Kurimoto, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+separation+of+H2+activation+from+hydrogenation+chemistry+reveals+the+specific+role+of+secondary+metal+catalysts.">Physical separation of H2 activation from hydrogenation chemistry reveals the specific role of secondary metal catalysts.</a> Angewandte Chemie International Edition. 60 (21), 11937-11942 (2021).</li></ol>

يتيح غشاء Pd نفاذية الهيدروجين والهدرجة الكيميائية. لذلك ، فإن تحضير هذا الغشاء مهم لفعالية مفاعل الغشاء. يتم ضبط حجم غشاء Pd وعلم البلورات والسطح لتحسين النتائج التجريبية. على الرغم من أن معدن Pd يمكن أن يطور الهيدروجين بأي سمك ، إلا أن أغشية Pd يتم لفها إلى 25 ميكرومتر. يضمن هذا التوحيد القياس?...

تستخدم تفاعلات الهدرجة الكيميائية الحرارية في ~ 20٪ من جميع التخليق الكيميائي1. تتطلب هذه التفاعلات كميات كبيرة من غاز H 2 ، والتي عادة ما تكون مشتقة من الوقود الأحفوري ، ودرجات حرارة تتراوح بين 150 درجة مئوية و 600 درجة مئوية ، وضغوط تصل إلى 200 ضغطجوي 2. الهدرجة الكهروكيميائية هي طريقة جذابة لتجاوز هذه المتطلبات ودفع تفاعلات الهدرجة باستخدام الماء والكهرباء المتجددة3. بالنسبة للهدرجة الكهروكيميائية التقليدية ، يتم إذابة مادة وسيطة غير مشبعة في إلكتروليت بروتوني في خلية كهروكيميائية. عند تطبيق جهد على الخلية، تحدث أكسدة الماء عند المصعد، بينما تحدث الهدرجة عند المهبط. في إعداد التفاعل هذا، تحدث كل من أكسدة الماء الكهروكيميائية والهدرجة الكيميائية في بيئة التفاعل نفسها. يتم إذابة الركيزة العضوية في إلكتروليت بروتوني لتمكين كل من تقسيم الماء الكهروكيميائي وهدرجة المادة الخام. يمكن أن يؤدي قرب هذه التفاعلات إلى تكوين منتج ثانوي وقاذورات القطب عندما يكون المتفاعل عرضة للهجوم النووي أو إذا كان تركيز المتفاعل مرتفعا جدا (>0.25 M)4.
دفعت هذه التحديات مجموعتنا إلى استكشاف طرق بديلة لدفع تفاعلات الهدرجة الكهروكيميائية5،6،7. نتج عن هذا البحث استخدام غشاء Pd ، والذي يستخدم تقليديا في فصل غاز الهيدروجين8. نستخدمه كقطب كهربائي للماء على جانب المفاعل الكهروكيميائي. يتيح هذا التطبيق الجديد لغشاء البلاديوم الفصل المادي لموقع أكسدة الماء الكهروكيميائية من موقع الهدرجة الكيميائية. يتكون تكوين المفاعل الناتج من جزأتين: 1) حجرة كهروكيميائية لإنتاج الهيدروجين. و 2) حجرة كيميائية للهدرجة (الشكل 1). يتم إنشاء البروتونات في المقصورة الكهروكيميائية عن طريق تطبيق جهد عبر أنود Pt وغشاء Pd ، والذي يعمل أيضا ككاثود. ثم تهاجر هذه البروتونات إلى غشاء Pd ، حيث يتم اختزالها إلى ذرات هيدروجين ممتزة على السطح. يمكن تقسيم الحجرة الكهروكيميائية لتشمل غشاء تبادل كاتيوني اختياري لتسهيل هجرة البروتون هذه. تتخلل ذرات الهيدروجين الممتصة سطحيا من خلال المواقع الثماني السطوح الخلالية لشبكة Pd fcc9 وتظهر على الوجه المقابل للغشاء في حجرة الهدرجة ، حيث تتفاعل مع الروابط غير المشبعة لمادة وسيطة معينة لتشكيل منتجات مهدرجة7،10،11،12،13،14،15،16. لذلك ، يعمل Pd في المفاعل الغشائي ك (i) غشاء انتقائي للهيدروجين ، (ii) كاثود ، و (iii) محفز للهدرجة.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65098/65098fig1v2.jpg"> الشكل 1: إضافة الهيدروجين في مفاعل غشائي. أكسدة الماء عند الأنود تنتج البروتونات، والتي يتم اختزالها على كاثود البلاديوم. يتخلل H غشاء Pd ويتفاعل مع البروبيوفينون لتكوين بروبيل بنزين. تطور الهيدروجين هو تفاعل منافس يمكن أن يحدث على جانبي غشاء البلاديوم. بالنسبة لقياس الطيف الكتلي في الغلاف الجوي ، لا يتم استخدام مادة وسيطة كيميائية ، مما يستلزم مغادرة H للمفاعل في شكل غاز H2 في المقصورات الكهروكيميائية أو الهدرجة. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65098/65098fig1largev2.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
يتم تجميع المفاعل الغشائي عن طريق وضع غشاء Pd بين حجرات الأنود والكاثود للخلية الهيدروجينيةالكهروكيميائية 12. تستخدم الحلقات O المقاومة للمواد الكيميائية لتثبيت الغشاء في مكانه وضمان ختم خال من التسرب. تحتوي المقصورة الكهروكيميائية للمفاعل الغشائي على محلول مائي غني بالهيدروجين. في هذه الدراسة ، نستخدم 1 M H 2 SO4 وأنود يتكون من سلك Pt مغلف بقطعة 5 سم2من شبكة البلاتين. يتم غمر الأنود في محلول المنحل بالكهرباء من خلال ثقب في الجزء العلوي من المقصورة الكهروكيميائية. تحتوي حجرة الهدرجة الكيميائية على مادة وسيطة للمذيبات والهدرجة7،10،11،12،16،17. يتم استخدام الفتحة الموجودة في الجزء العلوي من حجرة الخلايا الهيدروجينية لأخذ العينات. تستخدم التجارب الموضحة هنا 0.01 M بروبيوفينون في الإيثانول كتغذية للهدرجة. ومع ذلك ، يمكن أن تختلف المواد الأولية (والتركيز) لتناسب الاحتياجات التجريبية. على سبيل المثال، يمكن إذابة مادة أولية تحتوي على سلسلة هيدروكربونية طويلة ومجموعة ألكاين وظيفية في البنتان لتحسين الذوبانية11. يمكن أن يكون التيار المؤثر للتفاعل بين 5 mA/cm2 و300 mA/cm2. تتم جميع ردود الفعل تحت درجة الحرارة والضغط المحيطين.
يستخدم قياس الطيف الكتلي الجوي (atm-MS) لقياس نسبة الهيدروجين في المقصورة الكهروكيميائية التي تتخلل حجرة الهدرجة11,12. هذا القياس مهم لفهم مدخلات الطاقة المطلوبة للمفاعل الغشائي ، لأنه يكشف عن أقصى استخدام ممكن للهيدروجين (أي مقدار الهيدروجين الذي يتم إنتاجه والذي يمكن استخدامه بالفعل في تفاعلات الهدرجة). يتم حساب تغلغل الهيدروجين من خلال غشاء Pd عن طريق قياس كمية H2 التي تتطور من كل من المقصورات الكهروكيميائية والهدرجة11,12. تعني قيمة التخلل بنسبة 100٪ أن كل الهيدروجين المنتج في المقصورة الكهروكيميائية يتم نقله عبر غشاء Pd إلى حجرة الهدرجة ثم يتحد لاحقا لتكوين غاز الهيدروجين. تعني قيمة التخلل البالغة <100٪ أن تطور الهيدروجين يحدث في المقصورة الكهروكيميائية قبل أن يتخلل الغشاء. نظرا لأن H2 يتم إنتاجه إما من حجرة الكهروكيميائية أو الهدرجة ، فإنه يدخل الجهاز ويتأين إلى H2+. يختار القطب الرباعي شظايا m / z = +2 ، ويتم قياس الشحنة المقابلة بواسطة الكاشف. المؤامرة التي تم الحصول عليها بواسطة هذه التقنية هي الشحنة الأيونية بمرور الوقت. يتم قياس الشحنة الأيونية لحجرة الهدرجة أولا ، وعندما تستقر الإشارة ، يتم تغيير القنوات لقياس المقصورة الكهروكيميائية. يتم حساب نفاذية الهيدروجين بقسمة متوسط الشحنة الأيونية في حجرة الهدرجة على إجمالي الشحنة الأيونية المقاسة في المفاعل (المعادلة 1)11,12. لحساب تغلغل الهيدروجين ، يتم قياس H2 من الهدرجة والمقصورات الكهروكيميائية بشكل منفصل باستخدام atm-MS.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65098/65098eq1v2.jpg" style="margin: auto;"> (مكافئ 1)
يستخدم قياس الطيف الكتلي اللوني للغاز (GC-MS) لمراقبة تقدم تفاعل الهدرجة12،14،15،16. لجمع البيانات على سبيل المثال ، تمتلئ حجرة الهدرجة في المفاعل ب 0.01 M بروبيوفينون في الإيثانول. من خلال تطبيق جهد عبر مصعد Pt ومهبط Pd ، يتم توفير الهيدروجين التفاعلي إلى حجرة الهدرجة. ثم تقوم ذرات الهيدروجين التفاعلية بهدرجة المواد الخام غير المشبعة ، ويتم قياس المنتجات باستخدام GC-MS ، حيث تكون العينة مجزأة ومتأينة. من خلال تحليل كتلة هذه الشظايا ، يمكن تحديد تكوين محلول الهدرجة ، ويمكن حساب معدلات التفاعل12،14،15،16.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ag/AgCl Reference Electrode</td>
			<td>BASi research products</td>
			<td>MW-2021</td>
			<td>Reference electrode</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analytical Balance</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>RK-11219-03</td>
			<td>Instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atmospheric Mass Spectrometer</td>
			<td>ESS CatalySys</td>
			<td>NA</td>
			<td>Instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bench Power Supply</td>
			<td>Newark</td>
			<td>1550</td>
			<td>Instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conductive Copper Foil Electrical Tape&#160;</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>76555A711</td>
			<td>Electrochemical cell assembly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dichloromethane</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>270997</td>
			<td>Reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electric Rolling Press with Dual Micrometer</td>
			<td>MTI Corporation</td>
			<td>MR100A</td>
			<td>Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrochemical glass H-cell</td>
			<td>University of British Columbia glass blowing</td>
			<td>NA</td>
			<td>Electrochemical cell assembly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ESS catalysis QUADSTAR</td>
			<td>ESS CatalySys</td>
			<td>NA</td>
			<td>Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>493511</td>
			<td>Reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flat Rolling Mill</td>
			<td>Pepetolls</td>
			<td>18700A</td>
			<td>Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gas Chromatography Mass Spectrometer</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>NA</td>
			<td>Instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GC-MS vial</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>5067-0205</td>
			<td>Vial for GC-MS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hexanes</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>1.0706</td>
			<td>Reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric Acid</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>258148</td>
			<td>Reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen peroxide solution (30% v/v)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>H1009</td>
			<td>Reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isopropyl Alcohol</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>W292907</td>
			<td>Reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Masshunter Aquisition Software</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>G1617FA</td>
			<td>Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette (100 &#181;L - 1000 &#181;L)</td>
			<td>Gilson</td>
			<td>F123602</td>
			<td>instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette (20 &#181;L - 200 &#181;L)&#160;</td>
			<td>Gilson</td>
			<td>F123601</td>
			<td>Instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mitutoyo Digital Micrometer</td>
			<td>Uline</td>
			<td>H-2780</td>
			<td>Instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Muffle Furnace</td>
			<td>MTI Corporation</td>
			<td>KSL-1100X</td>
			<td>Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitric acid</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>438073</td>
			<td>Reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrogen gas</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>608661</td>
			<td>Reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Palladium (II) Chloride</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>520659</td>
			<td>Reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pd wafer bar, 1 oz, 99.95%</td>
			<td>Silver Gold Bull.</td>
			<td>NA</td>
			<td>Reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Platinum Auxiliary Electrode</td>
			<td>BASi research products</td>
			<td>MW-1032</td>
			<td>Anode</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potentiostat</td>
			<td>Metrohm</td>
			<td>PGSTAT302N</td>
			<td>Instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Propiophenone</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>P51605</td>
			<td>Reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Proton Exchange Membrane, Nafion 212</td>
			<td>Fuel cell store&#160;</td>
			<td>NA</td>
			<td>Electrochemical cell assembly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulfuric acid&#160;</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>258105</td>
			<td>Reagent</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

hydrogen production and utilization in a membrane reactor

تستهلك الهدرجة الصناعية ~ 11 طن متري من غاز H2 المشتق من الأحفوري سنويا. اخترعت مجموعتنا مفاعلا غشائيا لتجاوز الحاجة إلى استخدام غاز H2 لكيمياء الهدرجة. مصدر المفاعل الغشائي الهيدروجين من الماء ويدفع التفاعلات باستخدام الكهرباء المتجددة. في هذا المفاعل ، تفصل قطعة رقيقة من Pd حجرة إنتاج الهيدروجين الكهروكيميائية عن حجرة الهدرجة الكيميائية. يعمل Pd في المفاعل الغشائي ك (i) غشاء انتقائي للهيدروجين ، (ii) كاثود ، و (iii) محفز للهدرجة. هنا ، نبلغ عن استخدام مطياف الكتلة الجوية (atm-MS) وقياس الطيف الكتلي اللوني للغاز (GC-MS) لإثبات أن التحيز الكهروكيميائي المطبق عبر غشاء Pd يتيح الهدرجة الفعالة دون إدخال H2 المباشر في مفاعل غشائي. باستخدام atm-MS ، قمنا بقياس تغلغل الهيدروجين بنسبة 73٪ ، مما مكن من هدرجة البروبيوفينون إلى بروبيل بنزين بانتقائية 100٪ ، كما تم قياسها بواسطة GC-MS. على عكس الهدرجة الكهروكيميائية التقليدية ، والتي تقتصر على تركيزات منخفضة من المواد الأولية المذابة في إلكتروليت بروتوني ، فإن الفصل المادي لإنتاج الهيدروجين عن الاستخدام في المفاعل الغشائي يتيح الهدرجة في أي مذيب أو بأي تركيز. إن استخدام تركيزات عالية ومجموعة واسعة من المذيبات مهم بشكل خاص لقابلية توسيع المفاعل وتسويقه في المستقبل.

يستخدم Atm-MS لقياس التيار الأيوني للهيدروجين الذي يتم إنتاجه في مفاعل الغشاء. يمكننا استخدام هذه القياسات لتحديد كمية الهيدروجين التي تتخلل غشاء Pd أثناء التحليل الكهربي. أولا ، يتم قياس الهيدروجين المتطور من حجرة الهدرجة (الشكل 3 ، يسار الخطوط المنقطة). عندما تصل الإشارة إلى...

Watch this Scientific Journal Video about Hydrogen Production and Utilization in a Membrane Reactor at JoVE.com

Hydrogen Production and Utilization in a Membrane Reactor

تتيح المفاعلات الغشائية الهدرجة في الظروف المحيطة دون إدخال H2 المباشر. يمكننا تتبع إنتاج الهيدروجين واستخدامه في هذه الأنظمة باستخدام قياس الطيف الكتلي للغلاف الجوي (atm-MS) وقياس الطيف الكتلي اللوني للغاز (GC-MS).

إنتاج الهيدروجين واستخدامه في مفاعل غشائي

Industrial hydrogenation consumes ~11 Mt of fossil-derived H2 gas yearly. Our group invented a membrane reactor to bypass the need to use H2 gas for ...

يصف بروتوكولنا طريقة لعزل إنتاج الهيدروجين الكهروكيميائي عن هدرجة المواد الخام الكيميائية في مفاعل واحد. يمكننا وصف كمية الهيدروجين المستخدمة في تفاعل الهدرجة المطلوب. يتم فصل الكيمياء الكهربائية عن كيمياء الهدرجة.يقلل من فرصة التفاعلات الجانبية ويسمح بالعمل مع المزيد من المذيبات والتركيزات مما لو كان يقتصر على استخدام المنحل بالكهرباء. للبدء ، قم بتنظيف شريط رقاقة البلاديوم باستخدام قطعة قماش قطنية مغموسة في الهكسان ولفها بأسطوانة يدوية حتى يقرأ العداد الرقمي حوالي 150 ميكرومتر. ثم استخدم أسطوانة أوتوماتيكية لتقليل السماكة إلى 25 ميكرومتر وتقطيعها إلى قطع بالحجم المطلوب.للتلدين ، قم بتحميل رقائق البلاديوم المدرفلة في فرن دثر تحت جو النيتروجين. قم بتسخينها عند 850 إلى 900 درجة مئوية لمدة 1.5 ساعة عن طريق زيادة درجة الحرارة تدريجيا من 25 إلى 900 درجة مئوية بمعدل 60 درجة مئوية في الساعة. تحضير محلول التنظيف عن طريق خلط 10 ملليلتر من حمض النيتريك ، 20 ملليلتر من 30 ٪ بيروكسيد الهيدروجين ، و 10 ملليلتر من الماء منزوع الأيونات.اغمر رقائق البلاديوم الملدنة في محلول التنظيف لمدة 20 إلى 30 دقيقة حتى تهدأ الفقاعات القوية أو يتحول المحلول إلى اللون الأصفر. بعد غسل رقائق البلاديوم مرتين بالماء منزوع الأيونات ، اشطفها بكحول الأيزوبروبيل وجففها بالهواء. ثم قم بتجميع المفاعل باستخدام رقائق البلاديوم المحضرة.لتحضير محلول الطلاء الكهربائي ، قم بإذابة كلوريد البلاديوم في حمض الهيدروكلوريك المولي. املأ المقصورة الكهروكيميائية للمفاعل ب 24 ملليلتر من المحلول المحضر مع ترك حجرة الهدرجة فارغة. ضع أنود شبكي بلاتيني وقطب مرجعي لكلوريد الفضة في الحجرة الكهروكيميائية.قم بتوصيل الأقطاب الكهربائية ب potentiostat وقم بتطبيق جهد 0.2 فولت على رقائق البلاديوم مقابل كلوريد الفضة حتى تمر شحنة 15C. بعد تفكيك المفاعل ، اشطف غشاء البلاديوم الناتج مرتين بالماء منزوع الأيونات ومرة واحدة بكحول الأيزوبروبيل. بمجرد تجفيفه بالهواء أو النيتروجين ، تحقق من وجود ترسب مرئي للبلاديوم الأسود على سطح الغشاء.لتجميع المفاعل ، قم بوضع شطيرة غشاء البلاديوم المحضر بين نصفين من خلية H الكهروكيميائية. ضع حشية مقاومة للمواد الكيميائية بين الجانب الأيسر من الخلية وغشاء البلاديوم. بمجرد وضع حشية إضافية على الجانب الأيمن من الخلية ، استخدم مشبكا لإغلاق تكوين المفاعل.للهدرجة الكهروكيميائية ، املأ الحجرة الكهروكيميائية ب 24 ملليلترا من حمض الكبريتيك المولي الواحد. أدخل قطبا كهربائيا من البلاتين في الحجرة الكهروكيميائية وقم بتوصيله بالطرف الموجب لمصدر الطاقة. باستخدام شريط نحاسي ، قم بتوصيل غشاء البلاديوم بالطرف السالب.ثم ضع تيارا جلفانيا مقداره 250 مللي أمبير وجهد من 3 إلى 5 عبر الخلية لمدة 15 دقيقة. بعد أخذ عينات من 30 ميكرولترا من محلول التفاعل ، أضف 24 ملليلترا في المقصورة الكيميائية للحفاظ على التيار الجلفاني. اجمع عينة كل 15 دقيقة باستخدام ماصة صغيرة.تذوب في ملليلتر واحد من ثنائي كلورو ميثان في قارورة GC-MS وتخزينها حتى يكتمل التفاعل. لتحليل العينات، قم بتحميلها في درج أخذ العينات التلقائي. ثم انقر فوق رمز MassHunter لتشغيل برنامج GC-MS.حدد تسلسل ثم قم بتحرير التسلسل لفتح نافذة تحرير التسلسل. املأ اسم العينة وموضع القارورة ومسار الأسلوب وملف الأسلوب ومسار البيانات وملف البيانات في المخطط. اضبط نوع العينة على العينة والتخفيف على 1.انقر فوق الطريقة متبوعة بتحرير الطريقة بأكملها لضبط الطريقة. تحقق من كل من معلومات الطريقة والحصول على الأداة واضغط على موافق. أيضا ، تحقق من الحصول على البيانات ويتم التحقق من تحليل البيانات. اترك كل حقل آخر فارغا وانقر فوق موافق. اضبط مدخل العينة على GC ومصدر الحقن على GC ALS.تأكد من تحديد مربع استخدام MS ، وتعيين موقع المدخل إلى الأمام ، وتوصيل MS بالمقدمة ، ثم انقر فوق موافق. تحت علامة تبويب المدخل ، اضبط درجة حرارة السخان على 250 درجة مئوية ، والضغط على 7.2 رطل لكل بوصة مربعة ، وتدفق الهيليوم على 23.1 ملليلتر في الدقيقة. تحت لسان الفرن ، اضبط درجة الحرارة الأولية على 50 درجة مئوية مع تثبيت لمدة دقيقة واحدة. اضبط معدل المنحدر على 25 درجة مئوية في الدقيقة.درجة الحرارة إلى 200 درجة مئوية مع تعليق لمدة صفر دقيقة واضغط على موافق. تحقق من عدم تحديد جميع إشارات العرض وانقر فوق موافق. اضبط تأخير المذيب على 2.50 دقيقة وحدد موافق. تأكد من أن الشاشة تتضمن درجة حرارة فرن GC ، ودرجة حرارة مدخل GC F ، وضغط مدخل GC F ، وحساب تدفق عمود GC 2 ، و MS EM volts ، ومصدر MS MS ، و MS MS quad ، وانقر فوق موافق. أدخل اسم الطريقة المطلوبة لحفظ الطريقة. انقر فوق التسلسل متبوعا بتسلسل التشغيل ، ثم حدد تسلسل التشغيل لبدء تحليل العينة. بمجرد اكتمال التسلسل ، افتح برنامج MassHunter وحدد اسم الملف لعرض البيانات.لتحديد قمم المنتج ، انقر فوق الطيف ، ثم تقرير البحث في المكتبة ، وموافق لمقارنة أطياف الكتلة المكتسبة بقاعدة بيانات NIST. احسب التركيب النسبي للمواد والمنتجات الأولية باستخدام المعادلة. قام مطياف الكتلة الجوية بقياس الهيدروجين المنتج في حجرة الهدرجة وحجرة كهروكيميائية في مفاعل الغشاء.يتخلل غشاء البلاديوم 73٪ هيدروجين بمتوسط تيار أيوني يبلغ 27 بيكوأمبير في حجرة الهدرجة و 10 في المقصورة الكهروكيميائية. في المقابل ، أظهر غشاء آخر أقل من 1٪ تغلغل في الهيدروجين. أظهر GC-MS للهدرجة تحت التحيز الكهروكيميائي ذروة حادة للمادة الأولية بروبيوفينون مع تقدم التفاعل لتشكيل قمم تمثل البروبيل بنزين و 1-Phenyl-1-propanol ، بينما تضاءلت قمة البروبيوفينون.في المقابل ، لم يتم تحويل البروبيوفينون إلى المنتج عندما لم يكن غشاء البلاديوم متحيزا كهروكيميائيا. ومع ذلك ، أظهر الكروماتوجرام ذروة غير متوقعة تعزى إلى الشوائب. تحت غشاء البلاديوم المتحيز كهروكيميائيا ، أظهر المظهر الحركي لتفاعل الهدرجة تغير التركيب في المواد والمنتجات الأولية.في المقابل ، عندما لم يكن غشاء البلاديوم متحيزا كهروكيميائيا ، لم يتغير تكوين مادة البداية حيث لم يتم تشكيل المنتج. من المهم تجميع المفاعل لمنع التسرب بين المقصورات. قم بأخذ عينة من التفاعل باستخدام أداة دقيقة مثل الماصة الدقيقة لضمان جودة البيانات من GC-MS.يمكن إجراء طرق توصيف إضافية مثل H NMR لتأكيد التركيب الكيميائي لمنتجات التفاعل.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

تحليل ديناميات البروتين عن طريق صرف الهيدروجين الطيف الكتلي

All cellular processes depend on the functionality of proteins. Although the functionality of a given protein is the direct consequence of its unique ...

Thin-layer Chromatographic (TLC) Separations and Bioassays of Plant Extracts to Identify Antimicrobial Compounds

Thin-layer Chromatographic TLC Separations and Bioassays of Plant Extracts to Identify Antimicrobial Compounds

طبقة رقيقة الكروماتوجرافي (TLC) فصل واختبارات بيولوجية من المستخلصات النباتية لتحديد المركبات المضادة للميكروبات

A common screen for plant antimicrobial compounds consists of separating plant extracts by paper or thin-layer chromatography (PC or TLC), exposing the ...

Supercritical Nitrogen Processing for the Purification of Reactive Porous Materials

تجهيز النيتروجين فوق الحرج لتنقية رد الفعل المواد المسامية

Supercritical fluid extraction and drying methods are well established in numerous applications for the synthesis and processing of porous materials. ...

Synthesis and Exfoliation of Discotic Zirconium Phosphates to Obtain Colloidal Liquid Crystals

التوليف وتقشير من Discotic الزركونيوم الفوسفات للحصول على بلورات الغروية السائل

Due to their abundance in natural clay and potential applications in advanced materials, discotic nanoparticles are of interest to scientists and ...

Extraction of Ramie Fiber in Alkali Hydrogen Peroxide System Supported by Controlled-release Alkali Source

استخراج الألياف الرامي في القلوي فوق أكسيد الهيدروجين نظام معتمد بواسطة مصدر قلوي تسيطر الإفراج

This protocol demonstrates a method for ramie fiber extraction by scouring raw ramie in an alkali hydrogen peroxide system supported by a ...

A Continuous-flow Photocatalytic Reactor for the Precisely Controlled Deposition of Metallic Nanoparticles

مفاعل بهوتوكاتاليتيك تدفق مستمر لترسب الجسيمات النانوية المعدنية التي تسيطر عليها على وجه التحديد

In this work, a novel photocatalytic reactor for the pulsed and controlled excitation of the photocatalyst and the precise deposition of metallic ...

Reducing Willow Wood Fuel Emission by Low Temperature Microwave Assisted Hydrothermal Carbonization

الحد من انبعاثات الوقود الخشب الصفصاف بدرجه حرارة منخفضه الميكروويف بمساعده الكربون الحراري

Biomass is a sustainable fuel, as its CO2 emissions are reintegrated in biomass growth. However, the inorganic precursors in the biomass cause a negative ...

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

يو2س5 إعداد فيلم عن طريق ثالث أكسيد اليورانيوم2 الترسيب بالتيار المباشر اﻷخرق وأكسدة المتعاقبة والحد مع الأكسجين الذري والهيدروجين الذري

We describe a method to produce U2O5 films in situ using the Labstation, a modular machine developed at JRC Karlsruhe. The Labstation, an essential part ...

Experimental Methods for Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment

الأساليب التجريبية لإنتاج الهيدروجين الفعال بالطاقة الشمسية في بيئة الجاذبية الصغريه

Long-term space flights and cis-lunar research platforms require a sustainable and light life-support hardware which can be reliably employed outside the ...

Solid Phase 11C-Methylation, Purification and Formulation for the Production of PET Tracers

Solid Phase 11C-Methylation, Purification and Formulation for the Production of PET Tracers

المرحلة الصلبة 11ج-ميثيل ، تنقيه وصياغة لإنتاج المتتبعين PET

Routine production of radiotracers used in positron emission tomography (PET) mostly relies on wet chemistry where the radioactive synthon reacts with a ...