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

We zijn de Canadian Natural Sciences and Engineering Research Council (RGPIN-2018-06748), de Canadian Foundation for Innovation (229288), het Canadian Institute for Advanced Research (BSE-BERL-162173) en Canada Research Chairs dankbaar voor financiële steun. Dit onderzoek werd mede mogelijk gemaakt dankzij financiering van het Canada First Research Excellence Fund, Quantum Materials and Future Technologies Program. We bedanken Ben Herring van de UBC Shared Instrument Facility voor hulp bij de ontwikkeling van het GC-MS-instrument en de methode. Wij danken Dr. Monika Stolar voor haar bijdragen aan de ontwikkeling en redactie van dit manuscript. Tot slot bedanken we de hele Berlinguette Group van de Universiteit van British Columbia voor hun voortdurende steun en samenwerking bij het bestuderen van de membraanreactor.

1. Pd rollen
<ol><li>Reinig de Pd wafer bar met een mengsel van hexanen met een katoenen doek. LET OP: Hexaan is ontvlambaar, een gevaar voor de gezondheid, irriterend en schadelijk voor het milieu. Werk onder de juiste ventilatie (d.w.z. een snorkel of een zuurkast).</li>
	<li>Rol de Pd-wafer met behulp van een handmatige rol tot een dikte van ≤150 μm, zoals bepaald door een digitale micrometer.</li>
	<li>Rol de Pd met behulp van een automatische rol tot een dikte van 25 μm, zoals bepaald door ...

<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>

Het PD-membraan maakt waterstofpermeatie en chemische hydrogenering mogelijk. De bereiding van dit membraan is daarom belangrijk voor de efficiëntie van de membraanreactor. De Pd-membraangrootte, kristallografie en het oppervlak zijn afgestemd om de experimentele resultaten te verbeteren. Hoewel Pd-metaal waterstof bij elke dikte kan ontwikkelen, worden de Pd-membranen gewalst tot 25 μm. Deze standaardisatie van membraandikte zorgt ervoor dat de tijd die waterstof nodig heeft om door het membraan te dringen constant is...

Thermochemische hydrogeneringsreacties worden gebruikt in ~20% van alle chemische synthese1. Deze reacties vereisen grote hoeveelheden H 2-gas, die meestal afkomstig zijn van fossiele brandstoffen, temperaturen tussen 150 °C en 600 °C en drukken tot 200 atm2. Elektrochemische hydrogenering is een aantrekkelijke manier om deze vereisten te omzeilen en hydrogeneringsreacties te stimuleren met behulp van water en hernieuwbare elektriciteit3. Voor conventionele elektrochemische hydrogenering wordt een onverzadigde grondstof opgelost in een protische elektrolyt in een elektrochemische cel. Wanneer een potentiaal op de cel wordt toegepast, vindt wateroxidatie plaats aan de anode, terwijl hydrogenering optreedt bij de kathode. In deze reactieopstelling vinden zowel elektrochemische wateroxidatie als chemische hydrogenering plaats in dezelfde reactieomgeving. Het organische substraat wordt opgelost in een protische elektrolyt om zowel elektrochemische watersplitsing als hydrogenering van de grondstof mogelijk te maken. De nabijheid van deze reacties kan leiden tot bijproductvorming en elektrodevervuiling wanneer de reactant gevoelig is voor nucleofiele aanval of als de reactantconcentratie te hoog is (>0,25 M)4.
Deze uitdagingen brachten onze groep ertoe om alternatieve manieren te onderzoeken om hydrogeneringsreacties elektrochemisch aan te sturen 5,6,7. Deze zoektocht resulteerde in het gebruik van een Pd-membraan, dat conventioneel wordt gebruikt in waterstofgasscheiding8. We gebruiken het als elektrode voor waterelektrolyse aan de kant van de elektrochemische reactor. Deze nieuwe toepassing van een palladiummembraan maakt de fysieke scheiding van de plaats van elektrochemische wateroxidatie van de plaats van chemische hydrogenering mogelijk. De resulterende reactorconfiguratie heeft twee compartimenten: 1) een elektrochemisch compartiment voor waterstofproductie; en 2) een chemisch compartiment voor hydrogenering (figuur 1). Protonen worden gegenereerd in het elektrochemische compartiment door een potentiaal aan te brengen over de Pt-anode en het Pd-membraan, dat ook als kathode dient. Deze protonen migreren vervolgens naar het Pd-membraan, waar ze worden gereduceerd tot aan het oppervlak geadsorbeerde waterstofatomen. Het elektrochemische compartiment kan worden onderverdeeld met een optioneel kationenuitwisselingsmembraan om deze protonenmigratie te vergemakkelijken. De aan het oppervlak geadsorbeerde waterstofatomen doordringen de interstitiële octaëdrische plaatsen van het Pd fcc-rooster9 en komen tevoorschijn aan de andere kant van het membraan in het hydrogeneringscompartiment, waar ze reageren met de onverzadigde bindingen van een bepaalde grondstof om gehydrogeneerde producten te vormen 7,10,11,12,13,14,15,16. De Pd in de membraanreactor fungeert daarom als (i) een waterstofselectief membraan, (ii) een kathode en (iii) een katalysator voor hydrogenering.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65098/65098fig1v2.jpg"> Figuur 1: Hydrogenering in een membraanreactor. Wateroxidatie aan de anode produceert protonen, die op de palladiumkathode worden verminderd. H dringt door het PD-membraan en reageert met propiofenon tot propylbenzeen. Waterstofevolutie is een concurrerende reactie die aan weerszijden van het palladiummembraan kan optreden. Voor atmosferische massaspectrometrie wordt geen chemische grondstof gebruikt, waardoor H de reactor in de vorm van H2-gas in de elektrochemische of hydrogeneringscompartimenten moet verlaten. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65098/65098fig1largev2.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
De membraanreactor wordt geassembleerd door een Pd-membraan tussen de anode- en kathodecompartimenten van een elektrochemische H-cel12 te sandwichen. Chemisch bestendige O-ringen worden gebruikt om het membraan op zijn plaats te houden en een lekvrije afdichting te garanderen. Het elektrochemische compartiment van de membraanreactor bevat een waterstofrijke waterige oplossing. In deze studie gebruiken we 1 M H 2 SO4 en een anode die bestaat uit een Pt-draad gehuld in een 5 cm2stuk platina gaas. De anode wordt ondergedompeld in de elektrolytoplossing door een gat in de bovenkant van het elektrochemische compartiment. Het chemische hydrogeneringscompartiment bevat een oplosmiddel- en hydrogeneringsgrondstof 7,10,11,12,16,17. Het gat aan de bovenkant van het H-celcompartiment wordt gebruikt voor bemonstering. De hier getoonde experimenten gebruiken 0,01 M propiofenon in ethanol als hydrogeneringsvoer. Het uitgangsmateriaal (en de concentratie) kunnen echter worden gevarieerd om aan de experimentele behoeften te voldoen. Een uitgangsmateriaal dat een lange koolwaterstofketen en een alkyn-functionele groep bevat, kan bijvoorbeeld worden opgelost in pentaan om de oplosbaarheidte verbeteren 11. De toegepaste stroom voor de reactie kan tussen 5 mA/cm 2 en 300 mA/cm2 liggen. Alle reacties worden uitgevoerd onder omgevingstemperatuur en druk.
Atmosferische massaspectrometrie (atm-MS) wordt gebruikt om het percentage waterstof in het elektrochemische compartiment te meten dat doordringt tot het hydrogeneringscompartiment11,12. Deze meting is belangrijk om de energie-input te begrijpen die nodig is voor de membraanreactor, omdat het het maximaal mogelijke waterstofgebruik onthult (d.w.z. hoeveel van de geproduceerde waterstof daadwerkelijk kan worden gebruikt voor hydrogeneringsreacties). Waterstofpermeatie door het Pd-membraan wordt berekend door de hoeveelheid H2 te meten die evolueert uit zowel het elektrochemische als het hydrogeneringscompartiment11,12. Een permeatiewaarde van 100% betekent dat alle waterstof die in het elektrochemische compartiment wordt geproduceerd, door het Pd-membraan naar het hydrogeneringscompartiment wordt getransporteerd en vervolgens combineert tot waterstofgas. Een permeatiewaarde van <100% betekent dat waterstofevolutie plaatsvindt in het elektrochemische compartiment voordat het door het membraan dringt. Omdat H2 wordt geproduceerd uit het elektrochemische of hydrogeneringscompartiment, komt het in het instrument en wordt het geïoniseerd tot H2+. De quadrupool selecteert fragmenten van m/z = +2, en de bijbehorende lading wordt gemeten door de detector. De plot die door deze techniek wordt verkregen, is de ionische lading in de tijd. De ionische lading wordt eerst gemeten voor het hydrogeneringscompartiment en wanneer het signaal stabiliseert, worden de kanalen veranderd om het elektrochemische compartiment te meten. Waterstofpermeatie wordt berekend door de gemiddelde ionische lading in het hydrogeneringscompartiment te delen door de totale ionische lading gemeten in de reactor (vergelijking 1)11,12. Om waterstofpermeatie te berekenen, wordt H2 uit de hydrogenerings- en elektrochemische compartimenten afzonderlijk gemeten met behulp van atm-MS.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65098/65098eq1v2.jpg" style="margin: auto;"> (Eq. 1)
Gaschromatografie massaspectrometrie (GC-MS) wordt gebruikt om de voortgang van de hydrogeneringsreactie te volgen12,14,15,16. Om gegevens voor het voorbeeld te verzamelen, is het hydrogeneringscompartiment van de reactor gevuld met 0,01 M propiofenon in ethanol. Door een potentiaal over de Pt-anode en de Pd-kathode aan te brengen, wordt reactieve waterstof aan het hydrogeneringscompartiment geleverd. De reactieve waterstofatomen hydrogeneren vervolgens de onverzadigde grondstof en de producten worden gekwantificeerd met behulp van GC-MS, waarbij het monster wordt gefragmenteerd en geïoniseerd. Door de massa van deze fragmenten te analyseren, kan de samenstelling van de hydrogeneringsoplossing worden bepaald en kunnen reactiesnelheden worden berekend12,14,15,16.

<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

Industriële hydrogenering verbruikt jaarlijks ~ 11 Mt van fossiel afgeleid H2-gas . Onze groep vond een membraanreactor uit om de noodzaak om H2-gas te gebruiken voor hydrogeneringschemie te omzeilen. De membraanreactor haalt waterstof uit water en drijft reacties aan met behulp van hernieuwbare elektriciteit. In deze reactor scheidt een dun stukje Pd een elektrochemisch waterstofproductiecompartiment van een chemisch hydrogeneringscompartiment. De Pd in de membraanreactor fungeert als (i) een waterstofselectief membraan, (ii) een kathode en (iii) een katalysator voor hydrogenering. Hierin rapporteren we het gebruik van atmosferische massaspectrometrie (atm-MS) en gaschromatografie massaspectrometrie (GC-MS) om aan te tonen dat een toegepaste elektrochemische bias over een Pd-membraan efficiënte hydrogenering mogelijk maakt zonder directe H2-invoer in een membraanreactor. Met atm-MS hebben we een waterstofpermeatie van 73% gemeten, waardoor de hydrogenering van propiofenon tot propylbenzeen met 100% selectiviteit mogelijk werd, zoals gemeten door GC-MS. In tegenstelling tot conventionele elektrochemische hydrogenering, die beperkt is tot lage concentraties uitgangsmateriaal opgelost in een proprotische elektrolyt, maakt de fysische scheiding van waterstofproductie en gebruik in de membraanreactor hydrogenering in elk oplosmiddel of bij elke concentratie mogelijk. Het gebruik van hoge concentraties en een breed scala aan oplosmiddelen is bijzonder belangrijk voor de schaalbaarheid van reactoren en toekomstige commercialisering.

Atm-MS wordt gebruikt om de ionische stroom te meten van de waterstof die in de membraanreactor wordt geproduceerd. We kunnen deze metingen gebruiken om te kwantificeren hoeveel waterstof door het Pd-membraan dringt tijdens elektrolyse. Eerst wordt de waterstof gemeten die uit het hydrogeneringscompartiment evolueert (figuur 3, links van de stippellijnen). Wanneer het signaal een steady state bereikt, wordt het kanaal naar het elektrochemische compartiment geschakeld. Het H2-gas d...

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

Membraanreactoren maken hydrogenering in omgevingsomstandigheden mogelijk zonder directe H2-input . We kunnen de waterstofproductie en -gebruik in deze systemen volgen met behulp van atmosferische massaspectrometrie (atm-MS) en gaschromatografie massaspectrometrie (GC-MS).

Waterstofproductie en -gebruik in een membraanreactor

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 ...

Ons protocol beschrijft een methode om elektrochemische waterstofproductie te isoleren uit chemische grondstofhydrogenering in een enkele reactor. We kunnen de hoeveelheid waterstof karakteriseren die wordt gebruikt in de gewenste hydrogeneringsreactie. Elektrochemie wordt gescheiden van hydrogeneringschemie.Het vermindert de kans op nevenreacties en maakt het mogelijk om met meer oplosmiddelen en concentraties te werken dan wanneer het beperkt zou zijn tot het gebruik van een elektrolyt. Om te beginnen reinigt u de palladium waferstaaf met behulp van de katoenen doek gedoopt in hexaan en rolt u deze met een handmatige rol totdat de digitale meter ongeveer 150 micrometer aangeeft. Gebruik vervolgens een automatische roller om de dikte te verminderen tot 25 micrometer en snijd deze in stukken van de gewenste grootte.Voor het gloeien laadt u de gewalste palladiumfolies in een moffeloven onder een stikstofatmosfeer. Verwarm ze gedurende 1,5 uur op 850 tot 900 graden Celsius door de temperatuur geleidelijk te verhogen van 25 naar 900 graden Celsius met een snelheid van 60 graden Celsius per uur. Bereid een reinigingsoplossing door 10 milliliter salpeterzuur, 20 milliliter 30% waterstofperoxide en 10 milliliter gedeïoniseerd water te mengen.Dompel de gegloeide palladiumfolies gedurende 20 tot 30 minuten onder in de reinigingsoplossing totdat het krachtige borrelen afneemt of de oplossing geel wordt. Na het tweemaal wassen van de palladiumfolies met gedeïoniseerd water, afspoelen met isopropylalcohol en aan de lucht drogen. Monteer vervolgens de reactor met behulp van geprepareerde palladiumfolies.Om de galvaniseeroplossing te bereiden, lost u palladiumchloride op in één molair zoutzuur. Vul het elektrochemische compartiment van de reactor met 24 milliliter van de bereide oplossing en laat het hydrogeneringscompartiment leeg. Plaats een platina mesh anode en zilverchloride referentie-elektrode in het elektrochemische compartiment.Sluit de elektroden aan op een potentiostat en breng de potentiaal van 0,2 volt aan op palladiumfolie versus zilverchloride totdat een lading van 15C passeert. Na het demonteren van de reactor, spoel het resulterende palladiummembraan tweemaal met gedeïoniseerd water en eenmaal met isopropylalcohol. Eenmaal gedroogd met lucht of stikstof, controleer op een zichtbare afzetting van zwart palladium op het membraanoppervlak.Om de reactor samen te stellen, sandwicht u het voorbereide palladiummembraan tussen twee helften van een elektrochemische H-cel. Plaats een chemisch resistente pakking tussen de linkerkant van de cel en het palladiummembraan. Zodra een extra pakking aan de rechterkant van de cel is geplaatst, gebruikt u een clip om de reactorconfiguratie af te dichten.Voor elektrochemische hydrogenering vult u het elektrochemische compartiment met 24 milliliter van één molair zwavelzuur. Plaats een platina tellerelektrode in het elektrochemische compartiment en sluit deze aan op de positieve aansluiting van een voeding. Bevestig met behulp van kopertape het palladiummembraan aan de negatieve terminal.Breng vervolgens gedurende 15 minuten een galvanostatische stroom van 250 milliampère en 3 tot 5 spanning over de cel aan. Voeg na het bemonsteren van 30 microliter van de reactieoplossing 24 milliliter toe in het chemische compartiment om de galvanostatische stroom te handhaven. Verzamel elke 15 minuten een monster met een micropipet.Los op in één milliliter dichloormethaan in de injectieflacon GC-MS en bewaar deze totdat de reactie is voltooid. Als u de monsters wilt analyseren, plaatst u ze in de automatische samplerlade. Klik vervolgens op het MassHunter-pictogram om de GC-MS-software te starten.Selecteer volgorde en bewerk vervolgens de volgorde om het venster voor het bewerken van de reeks te openen. Vul de voorbeeldnaam, de positie van de injectieflacon, het methodepad, het methodebestand, het gegevenspad en het gegevensbestand in de grafiek in. Stel het monstertype in op het monster en de verdunning op 1.Klik op de methode die wordt gevolgd door de hele methode bewerken om de methode aan te passen. Controleer zowel de methode-informatie als de instrumentacquisitie en druk op OK. Ook worden geverifieerde gegevensverzameling en gegevensanalyse gecontroleerd. Laat elk ander veld leeg en klik op OK. Stel de monsterinlaat in op GC en de injectiebron op GC ALS.Zorg ervoor dat het vakje MS gebruiken is aangevinkt, de inlaatlocatie is ingesteld op vooraan, de MS is aangesloten op de voorkant en klik vervolgens op OK. Stel onder het inlaattabblad de verwarmingstemperatuur in op 250 graden Celsius, druk op 7,2 pond per vierkante inch en heliumstroom op 23,1 milliliter per minuut. Stel onder het oventabblad de begintemperatuur in op 50 graden Celsius met een houdgreep van één minuut. Stel de hellingssnelheid in op 25 graden Celsius per minuut.De temperatuur tot 200 graden Celsius met nul minuten vasthouden en druk op OK. Controleer of niet alle weergavesignalen zijn geselecteerd en klik op OK. Stel de oplosmiddelvertraging in op 2,50 minuten en selecteer OK. Zorg ervoor dat de monitor GC-oventemperatuur, GC-inlaat F-temperatuur, GC-inlaat F-druk, GC-kolom 2-stroomcalc, MS EM-volt, MS MS-bron, MS MS-quad bevat en klik op OK. Voer de gewenste methodenaam in om de methode op te slaan. Klik op de volgorde gevolgd door de uitvoeringsvolgorde en selecteer vervolgens de uitvoeringsvolgorde om de voorbeeldanalyse te starten. Zodra de reeks is voltooid, opent u de MassHunter-software en selecteert u de bestandsnaam om de gegevens te bekijken.Om de productpieken te identificeren, klikt u op spectrum, vervolgens op bibliotheekzoekrapport en OK om de verkregen massaspectra te vergelijken met de NIST-database. Bereken de relatieve samenstelling van grondstoffen en producten met behulp van de vergelijking. De atmosferische massaspectrometrie mat de waterstof geproduceerd in het hydrogeneringscompartiment en een elektrochemisch compartiment in de membraanreactor.Het palladiummembraan doordrong 73% waterstof met een gemiddelde ionische stroom van 27 picoampères in het hydrogeneringscompartiment en 10 in het elektrochemische compartiment. Een ander membraan daarentegen vertoonde minder dan 1% permeatie tot waterstof. GC-MS van hydrogenering onder een elektrochemische bias toonde een scherpe piek van het uitgangsmateriaal propiofenon naarmate de reactie vorderde en vormde pieken die propylbenzeen en 1-fenyl-1-propanol vertegenwoordigden, terwijl de propiofenonpiek afnam.Propiofenon daarentegen werd niet omgezet in het product wanneer het palladiummembraan niet elektrochemisch bevooroordeeld was. Het chromatogram vertoonde echter een onverwachte piek die werd toegeschreven aan een onzuiverheid. Onder een elektrochemisch bevooroordeeld palladiummembraan toonde het kinetische profiel van de hydrogeneringsreactie de samenstellingsverandering in uitgangsmateriaal en producten.Wanneer het palladiummembraan daarentegen niet elektrochemisch bevooroordeeld was, werd de samenstelling van het uitgangsmateriaal niet gewijzigd omdat het product niet werd gevormd. Het is belangrijk om de reactor te monteren om lekkage tussen compartimenten te voorkomen. Bemonster de reactie met een nauwkeurig instrument zoals een micropipet om kwaliteitsgegevens van de GC-MS te garanderen.Aanvullende karakteriseringsmethoden zoals H NMR kunnen worden uitgevoerd om de chemische structuur van de reactieproducten te bevestigen.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

Het analyseren van Protein Dynamics gebruik van waterstof Exchange Massaspectrometrie

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

Thin-layer Chromatographic (TLC) Scheidingen en Bioassays van plantenextracten te identificeren antimicrobiële verbindingen

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

Superkritische stikstof Verwerking voor de zuivering van reactieve poreuze materialen

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

Synthese en afschilfering van discotische zirkonium Fosfaten om colloïdale vloeibare kristallen te verkrijgen

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

Extractie van ramee vezel in Alkali waterstofperoxide systeem ondersteund door gecontroleerd-release Alkali-bron

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

Een continue-stroom fotokatalytische Reactor voor de juist gecontroleerde afzetting van metalen nanodeeltjes

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

Vermindering van wilg hout brandstof emissie door lage temperatuur magnetron bijgestaan hydrothermale carbonisatie

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

U2O5 Film voorbereiding via UO2 afzetting door gelijkstroom sputteren en opeenvolgende oxidatie en reductie met atomaire zuurstof en waterstof atoom

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

Experimentele methoden voor efficiënte productie van zonne-energie waterstof in de omgeving van microzwaartekracht

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

Solid phase 11C-methylering, zuivering en formulering voor de productie van Pet-tracers

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