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

Wir danken dem Canadian Natural Sciences and Engineering Research Council (RGPIN-2018-06748), der Canadian Foundation for Innovation (229288), dem Canadian Institute for Advanced Research (BSE-BERL-162173) und den Canada Research Chairs für die finanzielle Unterstützung. Diese Forschung wurde zum Teil dank der Finanzierung durch den Canada First Research Excellence Fund, das Quantum Materials and Future Technologies Program durchgeführt. Wir danken Ben Herring von der UBC Shared Instrument Facility für die Unterstützung bei der Entwicklung des GC-MS-Instruments und der Methode. Wir danken Dr. Monika Stolar für ihre Beiträge zur Entwicklung und Edition dieses Manuskripts. Abschließend danken wir der gesamten Berlinguette-Gruppe an der University of British Columbia für ihre anhaltende Unterstützung und Zusammenarbeit bei der Untersuchung des Membranreaktors.

1. Pd-Walzen
<ol><li>Reinigen Sie den Pd-Waffelriegel mit einem Baumwolltuch mit einer Mischung aus Hexanen. VORSICHT: Hexan ist brennbar, gesundheitsgefährdend, reizend und umweltschädlich. Arbeiten Sie unter ausreichender Belüftung (z. B. einem Schnorchel oder einem Abzug).</li>
	<li>Rollen Sie den Pd-Wafer mit einer manuellen Rolle, bis eine Dicke von ≤150 μm erreicht ist, die mit einem digitalen Mikrometer bestimmt wird.</li>
	<li>Walzen Sie das Pd mit einer automatischen Walze auf eine Di...

<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>

Die Pd-Membran ermöglicht Wasserstoffpermeation und chemische Hydrierung. Die Herstellung dieser Membran ist daher wichtig für die Wirksamkeit des Membranreaktors. Die Größe der Pd-Membran, die Kristallographie und die Oberfläche werden abgestimmt, um die experimentellen Ergebnisse zu verbessern. Obwohl Pd-Metall in jeder Dicke Wasserstoff entwickeln kann, werden die Pd-Membranen auf 25 μm gewalzt. Diese Standardisierung der Membrandicke stellt sicher, dass die Zeit, die Wasserstoff benötigt, um die Membran zu dur...

Thermochemische Hydrierungsreaktionen werden in ~20% der gesamten chemischen Synthese verwendet1. Diese Reaktionen erfordern große Mengen anH2-Gas , das in der Regel aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird, Temperaturen zwischen 150 °C und 600 °C und Drücke bis zu 200 atm2. Die elektrochemische Hydrierung ist eine attraktive Möglichkeit, diese Anforderungen zu umgehen und Hydrierreaktionen mit Wasser und erneuerbarem Strom voranzutreiben3. Bei der konventionellen elektrochemischen Hydrierung wird ein ungesättigter Rohstoff in einem protischen Elektrolyten in einer elektrochemischen Zelle gelöst. Wenn ein Potential an die Zelle angelegt wird, findet an der Anode eine Wasseroxidation statt, während an der Kathode die Hydrierung erfolgt. In diesem Reaktionsaufbau finden sowohl die elektrochemische Wasseroxidation als auch die chemische Hydrierung in der gleichen Reaktionsumgebung statt. Das organische Substrat wird in einem protischen Elektrolyten gelöst, um sowohl die elektrochemische Wasserspaltung als auch die Hydrierung des Ausgangsmaterials zu ermöglichen. Die Nähe dieser Reaktionen kann zur Bildung von Nebenprodukten und zur Verschmutzung der Elektroden führen, wenn der Reaktant für einen nukleophilen Angriff anfällig ist oder wenn die Reaktantenkonzentration zu hoch ist (>0,25 M)4.
Diese Herausforderungen veranlassten unsere Gruppe, alternative Wege zu erforschen, um Hydrierungsreaktionen elektrochemisch anzutreiben 5,6,7. Diese Suche ergab die Verwendung einer Pd-Membran, die herkömmlicherweise in der Wasserstoffgastrennung8 verwendet wird. Wir verwenden es als Elektrode für die Wasserelektrolyse auf der elektrochemischen Reaktorseite. Diese neuartige Anwendung einer Palladiummembran ermöglicht die physikalische Trennung des Ortes der elektrochemischen Wasseroxidation vom Ort der chemischen Hydrierung. Die resultierende Reaktorkonfiguration hat zwei Kompartimente: 1) einen elektrochemischen Kompartiment für die Wasserstoffproduktion; und 2) ein chemisches Kompartiment für die Hydrierung (Abbildung 1). Protonen werden im elektrochemischen Kompartiment erzeugt, indem ein Potential an die Pt-Anode und die Pd-Membran angelegt wird, die auch als Kathode dient. Diese Protonen wandern dann in die Pd-Membran, wo sie zu oberflächenadsorbierten Wasserstoffatomen reduziert werden. Das elektrochemische Kompartiment kann unterteilt werden, um eine optionale Kationenaustauschermembran einzuschließen, um diese Protonenmigration zu erleichtern. Die oberflächenadsorbierten Wasserstoffatome durchdringen die interstitiellen oktaedrischen Stellen des Pd-fcc-Gitters9 und treten auf der gegenüberliegenden Seite der Membran im Hydrierungskompartiment aus, wo sie mit den ungesättigten Bindungen eines gegebenen Ausgangsmaterials zu hydrierten Produkten 7,10,11,12,13,14,15,16 reagieren . Das Pd im Membranreaktor fungiert daher als (i) eine wasserstoffselektive Membran, (ii) eine Kathode und (iii) ein Katalysator für die Hydrierung.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65098/65098fig1v2.jpg"> Abbildung 1: Hydrierung in einem Membranreaktor. Bei der Wasseroxidation an der Anode entstehen Protonen, die an der Palladiumkathode reduziert werden. H durchdringt die Pd-Membran und reagiert mit Propiophenon zu Propylbenzol. Die Wasserstoffentwicklung ist eine konkurrierende Reaktion, die auf beiden Seiten der Palladiummembran stattfinden kann. Für die atmosphärische Massenspektrometrie wird kein chemischer Rohstoff verwendet, so dass H den Reaktor in Form vonH2-Gas entweder in den elektrochemischen oder Hydrierungskammern verlassen muss. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65098/65098fig1largev2.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Der Membranreaktor wird durch Einklemmen einer Pd-Membran zwischen das Anoden- und Kathodenkompartiment einer elektrochemischen H-Zelle12 zusammengebaut. Chemikalienbeständige O-Ringe werden verwendet, um die Membran zu befestigen und eine leckagefreie Abdichtung zu gewährleisten. Der elektrochemische Raum des Membranreaktors enthält eine wasserstoffreiche wässrige Lösung. In dieser Studie verwenden wir 1 M H 2 SO4 und eine Anode, die aus einem Pt-Draht besteht, der von einem 5 cm2Stück Platingewebe umhüllt ist. Die Anode wird durch ein Loch in der Oberseite des elektrochemischen Fachs in die Elektrolytlösung getaucht. Der chemische Hydrierungsraum enthält ein Lösungsmittel und einen Hydrierungsrohstoff 7,10,11,12,16,17. Das Loch an der Oberseite des H-Zell-Fachs dient der Probenahme. Die hier gezeigten Experimente verwenden 0,01 M Propiophenon in Ethanol als Hydrierungsfutter. Das Ausgangsmaterial (und die Konzentration) können jedoch variiert werden, um den experimentellen Anforderungen gerecht zu werden. Beispielsweise kann ein Ausgangsmaterial, das eine lange Kohlenwasserstoffkette und eine funktionelle Alkingruppe enthält, in Pentan gelöst werden, um die Löslichkeitzu verbessern 11. Der angelegte Strom für die Reaktion kann zwischen 5 mA/cm2 und 300 mA/cm2 liegen. Alle Reaktionen werden unter Umgebungstemperatur und -druck durchgeführt.
Die atmosphärische Massenspektrometrie (atm-MS) wird verwendet, um den prozentualen Anteil des Wasserstoffs im elektrochemischen Kompartiment zu messen, der in den Hydrierungsraum durchdringt11,12. Diese Messung ist wichtig, um den Energieaufwand für den Membranreaktor zu verstehen, denn sie gibt Aufschluss über die maximal mögliche Wasserstoffausnutzung (d.h. wie viel des produzierten Wasserstoffs tatsächlich für Hydrierreaktionen genutzt werden kann). Die Wasserstoffpermeation durch die Pd-Membran wird berechnet, indem die Menge an H2 gemessen wird, die sowohl aus dem elektrochemischen als auch aus dem Hydrierungskompartimententsteht 11,12. Ein Permeationswert von 100 % bedeutet, dass der gesamte im elektrochemischen Kompartiment erzeugte Wasserstoff durch die Pd-Membran in den Hydrierraum transportiert wird und sich anschließend zu Wasserstoffgas verbindet. Ein Permeationswert von <100 % bedeutet, dass die Wasserstoffentwicklung im elektrochemischen Kompartiment stattfindet, bevor er die Membran durchdringt. DaH2 entweder aus dem elektrochemischen oder dem Hydrierungsraum erzeugt wird, gelangt es in das Gerät und wird zuH2+ ionisiert. Der Quadrupol wählt Fragmente von m/z = +2 aus, und die entsprechende Ladung wird vom Detektor gemessen. Das Diagramm, das mit dieser Technik erhalten wird, ist die Ionenladung über die Zeit. Die Ionenladung wird zuerst für das Hydrierungskompartiment gemessen, und wenn sich das Signal stabilisiert, werden die Kanäle gewechselt, um das elektrochemische Kompartiment zu messen. Die Wasserstoffpermeation wird berechnet, indem die durchschnittliche Ionenladung im Hydrierungsraum durch die im Reaktor gemessene Gesamtionenladung dividiert wird (Gleichung 1)11,12. Zur Berechnung der Wasserstoffpermeation werdenH2 aus dem Hydrierungs- und dem elektrochemischen Kompartiment separat mittels atm-MS gemessen.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65098/65098eq1v2.jpg" style="margin: auto;"> (Gl. 1)
Die Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) wird verwendet, um den Fortschritt der Hydrierungsreaktionzu überwachen 12,14,15,16. Um Daten für das Beispiel zu sammeln, wird der Hydrierungsraum des Reaktors mit 0,01 M Propiophenon in Ethanol gefüllt. Durch Anlegen eines Potentials an die Pt-Anode und die Pd-Kathode wird dem Hydrierungsraum reaktiver Wasserstoff zugeführt. Die reaktiven Wasserstoffatome hydrieren dann den ungesättigten Rohstoff, und die Produkte werden mit GC-MS quantifiziert, wobei die Probe fragmentiert und ionisiert wird. Durch die Analyse der Masse dieser Fragmente kann die Zusammensetzung der Hydrierlösung bestimmt und Reaktionsgeschwindigkeiten berechnet werden12,14,15,16.

<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

Die industrielle Hydrierung verbraucht jährlich ~11 Mio. t fossilesH2-Gas . Unsere Gruppe hat einen Membranreaktor erfunden, um die Notwendigkeit zu umgehen,H2-Gas für die Hydrierchemie zu verwenden. Der Membranreaktor bezieht Wasserstoff aus Wasser und treibt Reaktionen mit erneuerbarem Strom an. In diesem Reaktor trennt ein dünnes Stück Pd einen elektrochemischen Wasserstoffproduktionsraum von einem chemischen Hydrierungsraum. Das Pd im Membranreaktor fungiert als (i) wasserstoffselektive Membran, (ii) als Kathode und (iii) als Katalysator für die Hydrierung. In dieser Arbeit berichten wir über den Einsatz der atmosphärischen Massenspektrometrie (atm-MS) und der Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS), um zu zeigen, dass eine angewandte elektrochemische Vorspannung über eine Pd-Membran eine effiziente Hydrierung ohne direktenH2-Input in einem Membranreaktor ermöglicht. Mit atm-MS wurde eine Wasserstoffpermeation von 73% gemessen, was die Hydrierung von Propiophenon zu Propylbenzol mit 100% Selektivität ermöglichte, gemessen mittels GC-MS. Im Gegensatz zur konventionellen elektrochemischen Hydrierung, die sich auf geringe Konzentrationen des in einem protischen Elektrolyten gelösten Ausgangsmaterials beschränkt, ermöglicht die physikalische Trennung der Wasserstofferzeugung von der Nutzung im Membranreaktor eine Hydrierung in jedem Lösungsmittel und in jeder Konzentration. Die Verwendung hoher Konzentrationen und einer breiten Palette von Lösungsmitteln ist besonders wichtig für die Skalierbarkeit des Reaktors und die zukünftige Kommerzialisierung.

Atm-MS wird verwendet, um den Ionenstrom des Wasserstoffs zu messen, der im Membranreaktor erzeugt wird. Mit diesen Messungen können wir quantifizieren, wie viel Wasserstoff während der Elektrolyse durch die Pd-Membran dringt. Zunächst wird der Wasserstoff gemessen, der aus dem Hydrierungskompartiment austritt (Abbildung 3, links von den gestrichelten Linien). Wenn das Signal einen stationären Zustand erreicht, wird der Kanal in das elektrochemische Kompartiment umgeschaltet. Das aus dem...

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

Membranreaktoren ermöglichen die Hydrierung unter Umgebungsbedingungen ohne direktenH2-Eintrag . Wir können die Wasserstofferzeugung und -nutzung in diesen Systemen mit Hilfe der atmosphärischen Massenspektrometrie (atm-MS) und der Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) verfolgen.

Wasserstofferzeugung und -nutzung in einem Membranreaktor

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 ...

Unser Protokoll beschreibt eine Methode zur Isolierung der elektrochemischen Wasserstofferzeugung von der chemischen Hydrierung des Ausgangsmaterials in einem einzigen Reaktor. Wir können die Menge an Wasserstoff charakterisieren, die in der gewünschten Hydrierungsreaktion verwendet wird. Die Elektrochemie ist von der Hydrierungschemie getrennt.Es verringert die Wahrscheinlichkeit von Nebenreaktionen und ermöglicht das Arbeiten mit mehr Lösungsmitteln und Konzentrationen, als wenn es auf die Verwendung eines Elektrolyten beschränkt wäre. Reinigen Sie zunächst den Palladium-Waffelriegel mit dem in Hexan getauchten Baumwolltuch und rollen Sie ihn mit einer Handwalze auf, bis das digitale Messgerät etwa 150 Mikrometer anzeigt. Verwenden Sie dann eine automatische Walze, um die Dicke auf 25 Mikrometer zu reduzieren und in Stücke der gewünschten Größe zu schneiden.Zum Glühen werden die gewalzten Palladiumfolien in einen Muffelofen unter Stickstoffatmosphäre geladen. Erhitzen Sie sie 1,5 Stunden lang auf 850 bis 900 Grad Celsius, indem Sie die Temperatur schrittweise von 25 auf 900 Grad Celsius mit einer Geschwindigkeit von 60 Grad Celsius pro Stunde erhöhen. Bereiten Sie eine Reinigungslösung vor, indem Sie 10 Milliliter Salpetersäure, 20 Milliliter 30%iges Wasserstoffperoxid und 10 Milliliter deionisiertes Wasser mischen.Tauchen Sie die geglühten Palladiumfolien für 20 bis 30 Minuten in die Reinigungslösung, bis das kräftige Blasen nachlässt oder die Lösung gelb wird. Nachdem Sie die Palladiumfolien zweimal mit deionisiertem Wasser gewaschen haben, spülen Sie sie mit Isopropylalkohol ab und trocknen Sie sie an der Luft. Anschließend wird der Reaktor mit vorbereiteten Palladiumfolien zusammengebaut.Zur Herstellung der Galvaniklösung wird Palladiumchlorid in einer molaren Salzsäure gelöst. Füllen Sie das elektrochemische Fach des Reaktors mit 24 Millilitern der vorbereiteten Lösung, wobei das Hydrierfach leer bleibt. Setzen Sie eine Platinnetzanode und eine Silberchlorid-Referenzelektrode in das elektrochemische Fach ein.Schließen Sie die Elektroden an einen Potentiostaten an und legen Sie das Potential von 0,2 Volt an Palladiumfolie im Vergleich zu Silberchlorid an, bis eine 15C-Ladung durchläuft. Spülen Sie nach der Demontage des Reaktors die entstandene Palladiummembran zweimal mit deionisiertem Wasser und einmal mit Isopropylalkohol ab. Prüfen Sie nach dem Trocknen mit Luft oder Stickstoff auf eine sichtbare Ablagerung von schwarzem Palladium auf der Membranoberfläche.Um den Reaktor zusammenzubauen, wird die vorbereitete Palladiummembran zwischen zwei Hälften einer elektrochemischen H-Zelle eingeklemmt. Platzieren Sie eine chemikalienbeständige Dichtung zwischen der linken Seite der Zelle und der Palladiummembran. Sobald eine zusätzliche Dichtung auf der rechten Seite der Zelle angebracht ist, verwenden Sie einen Clip, um die Reaktorkonfiguration abzudichten.Für die elektrochemische Hydrierung wird das elektrochemische Fach mit 24 Millilitern einer molaren Schwefelsäure gefüllt. Führen Sie eine Platin-Gegenelektrode in das elektrochemische Fach ein und schließen Sie sie an den Pluspol eines Netzteils an. Befestigen Sie die Palladiummembran mit Kupferband am Minuspol.Dann legen Sie 15 Minuten lang einen galvanostatischen Strom von 250 Milliampere und 3 bis 5 Spannung an die Zelle an. Nach der Probenahme von 30 Mikrolitern der Reaktionslösung werden 24 Milliliter in den Chemikalienraum gegeben, wobei der galvanostatische Strom beibehalten wird. Entnehmen Sie alle 15 Minuten eine Probe mit einer Mikropipette.In einem Milliliter Dichlormethan in der GC-MS-Durchstechflasche auflösen und bis zum Abschluss der Reaktion aufbewahren. Um die Proben zu analysieren, legen Sie sie in das Autosampler-Fach ein. Klicken Sie dann auf das MassHunter-Symbol, um die GC-MS-Software zu starten.Wählen Sie Sequenz und dann Sequenz bearbeiten aus, um das Sequenzbearbeitungsfenster zu öffnen. Geben Sie den Probennamen, die Position der Durchstechflasche, den Methodenpfad, die Methodendatei, den Datenpfad und die Datendatei in das Diagramm ein. Stellen Sie den Probentyp auf Probe und die Verdünnung auf 1 ein.Klicken Sie auf die Methode und dann auf die gesamte Methode bearbeiten, um die Methode anzupassen. Überprüfen Sie sowohl die Methodeninformationen als auch die Geräteerfassung und drücken Sie OK. Überprüfen Sie auch, ob die Datenerfassung und die Datenanalyse überprüft werden. Lassen Sie alle anderen Felder leer und klicken Sie auf OK. Stellen Sie den Probeneinlass auf GC und die Injektionsquelle auf GC ALS ein.Stellen Sie sicher, dass das Kontrollkästchen MS verwenden aktiviert ist, die Einlassposition auf "Front" eingestellt ist, der MS an die Vorderseite angeschlossen ist, und klicken Sie dann auf "OK". Stellen Sie unter der Einlasslasche die Heizungstemperatur auf 250 Grad Celsius, den Druck auf 7,2 Pfund pro Quadratzoll und den Heliumfluss auf 23,1 Milliliter pro Minute ein. Stellen Sie unter der Ofenlasche die Anfangstemperatur auf 50 Grad Celsius ein und halten Sie sie eine Minute lang gedrückt. Stellen Sie die Rampenrate auf 25 Grad Celsius pro Minute ein.Die Temperatur auf 200 Grad Celsius mit einer Nullminute gedrückt halten und OK drücken. Vergewissern Sie sich, dass nicht alle Anzeigesignale ausgewählt sind, und klicken Sie auf OK. Stellen Sie die Lösungsmittelverzögerung auf 2,50 Minuten ein und wählen Sie OK. Stellen Sie sicher, dass der Monitor die GC-Ofentemperatur, die GC-Eingangstemperatur F, den GC-Eingangsdruck F, die GC-Spalte 2-Durchflussberechnung, MS EM-Volt, die MS MS-Quelle, MS MS Quad enthält, und klicken Sie auf OK. Geben Sie den gewünschten Methodennamen ein, um die Methode zu speichern. Klicken Sie auf die Sequenz gefolgt von der Sequenz, und wählen Sie dann die Sequenz aus, um die Stichprobenanalyse zu starten. Sobald die Sequenz abgeschlossen ist, öffnen Sie die MassHunter-Software und wählen Sie den Dateinamen aus, um die Daten anzuzeigen.Um die Produktspitzen zu identifizieren, klicken Sie auf Spektrum, dann auf Bibliothekssuchbericht und OK, um die erfassten Massenspektren mit der NIST-Datenbank zu vergleichen. Berechnen Sie die relative Zusammensetzung von Ausgangsstoffen und Produkten mithilfe der Gleichung. Die atmosphärische Massenspektrometrie maß den Wasserstoff, der im Hydrierraum und einem elektrochemischen Kompartiment im Membranreaktor erzeugt wird.Die Palladiummembran durchdrang 73%igen Wasserstoff mit einem durchschnittlichen Ionenstrom von 27 Pikoampere im Hydrierungsraum und 10 Pikoampere im elektrochemischen Kompartiment. Im Gegensatz dazu zeigte eine andere Membran eine Permeation von weniger als 1 % für Wasserstoff. Die GC-MS der Hydrierung unter elektrochemischer Vorspannung zeigte im Verlauf der Reaktion einen scharfen Peak des Ausgangsmaterials Propiophenon, der Peaks bildete, die Propylbenzol und 1-Phenyl-1-propanol repräsentierten, während der Propiophenon-Peak abnahm.Im Gegensatz dazu wurde Propiophenon nicht in das Produkt umgewandelt, wenn die Palladiummembran nicht elektrochemisch vorgespannt war. Das Chromatogramm zeigte jedoch einen unerwarteten Peak, der auf eine Verunreinigung zurückzuführen war. Unter einer elektrochemisch verzerrten Palladiummembran zeigte das kinetische Profil der Hydrierungsreaktion die Änderung der Zusammensetzung von Ausgangsmaterial und Produkten.Wenn die Palladiummembran dagegen nicht elektrochemisch vorgespannt war, änderte sich die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials nicht, da das Produkt nicht gebildet wurde. Es ist wichtig, den Reaktor zusammenzubauen, um Leckagen zwischen den Kammern zu vermeiden. Nehmen Sie die Reaktion mit einem präzisen Instrument wie einer Mikropipette ab, um die Qualität der Daten aus dem GC-MS zu gewährleisten.Zusätzliche Charakterisierungsmethoden wie die H-NMR können durchgeführt werden, um die chemische Struktur der Reaktionsprodukte zu bestätigen.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

Analyse von Proteindynamik mit Wasserstoffwechsel Massenspektrometrie

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

Forschung

Chemie

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

Dünnschicht-Chromatographie-(TLC) Trennungen und Bioassays der Pflanzenextrakte antimikrobielle Verbindungen zu identifizieren

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

Kritischer Stickstoff Verarbeitung für die Reinigung von Reactive Porous Materials

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 und Exfoliation von diskotischen Zirkoniumphosphaten Erhalten Kolloidales Liquid Crystals

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

Gewinnung von Ramie-Faser in Alkali-Wasserstoffperoxid-System unterstützt durch kontrollierte Freisetzung Alkali-Quelle

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

Einem kontinuierlichen Fluss photokatalytische Reaktor für die genau kontrollierten Abscheidung von metallischen Nanopartikeln

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

Reduzierung der Abgas-Holzbrennstoff-Emission durch eine kohlrigelgestützte mikrowellenassistierte hydrothermale Karbonisierung

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 Vorbereitung über UO2 Ablagerung von Gleichstrom-Sputtern und aufeinanderfolgenden Oxidation und Reduktion mit atomarem Sauerstoff und atomarer Wasserstoff

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

Experimentelle Methoden zur effizienten Solarhydrogenproduktion in der Mikrogravitationsumgebung

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

Feste Phase 11C-Methylierung, Reinigung und Formulierung für die Herstellung von PET Tracern

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