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

Siamo grati al Canadian Natural Sciences and Engineering Research Council (RGPIN-2018-06748), alla Canadian Foundation for Innovation (229288), al Canadian Institute for Advanced Research (BSE-BERL-162173) e alle cattedre di ricerca canadesi per il sostegno finanziario. Questa ricerca è stata intrapresa grazie in parte ai finanziamenti del Canada First Research Excellence Fund, Quantum Materials and Future Technologies Program. Ringraziamo Ben Herring dell'UBC Shared Instrument Facility per l'assistenza nello sviluppo dello strumento e del metodo GC-MS. Ringraziamo la dottoressa Monika Stolar per i contributi allo sviluppo e alla redazione di questo manoscritto. Infine, ringraziamo l'intero Gruppo Berlinguette dell'Università della British Columbia per il loro continuo supporto e collaborazione nello studio del reattore a membrana.

1. Laminazione Pd
<ol><li>Pulire la barra wafer Pd con una miscela di esani usando un panno di cotone. ATTENZIONE: L'esano è infiammabile, pericoloso per la salute, irritante e dannoso per l'ambiente. Lavorare sotto un'adeguata ventilazione (ad esempio, un boccaglio o una cappa aspirante).</li>
	<li>Arrotolare il wafer Pd utilizzando un rullo manuale fino a raggiungere uno spessore di ≤150 μm, come determinato da un micrometro digitale.</li>
	<li>Arrotolare il Pd utilizzando un rullo automatico ...

<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>

La membrana Pd consente la permeazione dell'idrogeno e l'idrogenazione chimica. La preparazione di questa membrana è, quindi, importante per l'efficacia del reattore a membrana. La dimensione della membrana Pd, la cristallografia e la superficie sono sintonizzate per migliorare i risultati sperimentali. Sebbene il metallo Pd possa evolvere idrogeno a qualsiasi spessore, le membrane Pd vengono arrotolate a 25 μm. Questa standardizzazione dello spessore della membrana assicura che il tempo necessario all'idrogeno per per...

Le reazioni di idrogenazione termochimica sono utilizzate in ~ 20% di tutta la sintesi chimica1. Queste reazioni richiedono grandi quantità di gas H 2, che di solito derivano da combustibili fossili, temperature comprese tra 150 °C e 600 °C e pressioni fino a 200 atm2. L'idrogenazione elettrochimica è un modo interessante per aggirare questi requisiti e guidare le reazioni di idrogenazione utilizzando acqua ed elettricità rinnovabile3. Per l'idrogenazione elettrochimica convenzionale, una materia prima insatura viene disciolta in un elettrolita protico in una cella elettrochimica. Quando un potenziale viene applicato alla cella, l'ossidazione dell'acqua si verifica all'anodo, mentre l'idrogenazione avviene al catodo. In questa configurazione di reazione, sia l'ossidazione elettrochimica dell'acqua che l'idrogenazione chimica avvengono nello stesso ambiente di reazione. Il substrato organico viene sciolto in un elettrolita protico per consentire sia la scissione elettrochimica dell'acqua che l'idrogenazione della materia prima. La vicinanza di queste reazioni può portare alla formazione di sottoprodotti e all'incrostazione degli elettrodi quando il reagente è suscettibile all'attacco nucleofilo o se la concentrazione del reagente è troppo elevata (>0,25 M)4.
Queste sfide hanno spinto il nostro gruppo a esplorare modi alternativi per guidare elettrochimicamente le reazioni di idrogenazione 5,6,7. Questa ricerca ha portato all'uso di una membrana Pd, che è convenzionalmente utilizzata nella separazione dell'idrogeno gassoso8. Lo usiamo come elettrodo per l'elettrolisi dell'acqua sul lato del reattore elettrochimico. Questa nuova applicazione di una membrana di palladio consente la separazione fisica del sito di ossidazione elettrochimica dell'acqua dal sito di idrogenazione chimica. La configurazione del reattore risultante ha due compartimenti: 1) un compartimento elettrochimico per la produzione di idrogeno; e 2) un compartimento chimico per l'idrogenazione (Figura 1). I protoni vengono generati nel compartimento elettrochimico applicando un potenziale attraverso l'anodo Pt e la membrana Pd, che funge anche da catodo. Questi protoni migrano poi verso la membrana Pd, dove vengono ridotti ad atomi di idrogeno adsorbiti in superficie. Il compartimento elettrochimico può essere suddiviso per includere una membrana opzionale a scambio cationico per facilitare questa migrazione protonica. Gli atomi di idrogeno adsorbiti in superficie permeano attraverso i siti ottaedrici interstiziali del reticolo Pd fcc9 ed emergono sulla faccia opposta della membrana nel compartimento di idrogenazione, dove reagiscono con i legami insaturi di una data materia prima per formare prodotti idrogenati 7,10,11,12,13,14,15,16. Il Pd nel reattore a membrana, quindi, agisce come (i) una membrana selettiva per l'idrogeno, (ii) un catodo e (iii) un catalizzatore per l'idrogenazione.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65098/65098fig1v2.jpg"> Figura 1: Idrogenazione in un reattore a membrana. L'ossidazione dell'acqua all'anodo produce protoni, che vengono ridotti sul catodo di palladio. H permea attraverso la membrana Pd e reagisce con propiofenone per formare propilbenzene. L'evoluzione dell'idrogeno è una reazione concorrente che può verificarsi su entrambi i lati della membrana del palladio. Per la spettrometria di massa atmosferica, non viene utilizzata alcuna materia prima chimica, rendendo necessario che H lasci il reattore sotto forma di gas H2 nei compartimenti elettrochimici o di idrogenazione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65098/65098fig1largev2.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
Il reattore a membrana viene assemblato inserendo una membrana Pd tra i compartimenti anodico e catodico di una cella H elettrochimica12. Gli O-ring resistenti agli agenti chimici vengono utilizzati per fissare la membrana in posizione e garantire una tenuta senza perdite. Il compartimento elettrochimico del reattore a membrana contiene una soluzione acquosa ricca di idrogeno. In questo studio, utilizziamo 1 M H 2 SO4 e un anodo costituito da un filo di Pt avvolto in un pezzo di rete di platino da 5 cm2. L'anodo è immerso nella soluzione elettrolitica attraverso un foro nella parte superiore del compartimento elettrochimico. Il compartimento di idrogenazione chimica contiene una materia prima solvente e idrogenazione 7,10,11,12,16,17. Il foro nella parte superiore del compartimento delle celle H viene utilizzato per il campionamento. Gli esperimenti mostrati qui utilizzano 0,01 M propiofenone in etanolo come mangime di idrogenazione. Tuttavia, il materiale di partenza (e la concentrazione) possono essere variati per soddisfare le esigenze sperimentali. Ad esempio, un materiale di partenza che contiene una lunga catena idrocarburica e un gruppo funzionale alchino può essere sciolto nel pentano per migliorare la solubilità11. La corrente applicata per la reazione può essere compresa tra 5 mA/cm 2 e 300 mA/cm2. Tutte le reazioni vengono eseguite a temperatura e pressione ambiente.
La spettrometria di massa atmosferica (atm-MS) viene utilizzata per misurare la percentuale di idrogeno nel compartimento elettrochimico che permea il compartimento di idrogenazione11,12. Questa misurazione è importante per comprendere gli input di energia richiesti per il reattore a membrana, perché rivela il massimo utilizzo possibile di idrogeno (cioè, quanto dell'idrogeno prodotto può essere effettivamente utilizzato per le reazioni di idrogenazione). La permeazione dell'idrogeno attraverso la membrana Pd viene calcolata misurando la quantità di H2 che evolve sia dal compartimento elettrochimico che da quello di idrogenazione11,12. Un valore di permeazione del 100% significa che tutto l'idrogeno prodotto nel compartimento elettrochimico viene trasportato attraverso la membrana Pd al compartimento di idrogenazione e successivamente si combina per formare idrogeno gassoso. Un valore di permeazione del <100% significa che l'evoluzione dell'idrogeno avviene nel compartimento elettrochimico prima di permeare attraverso la membrana. Poiché H2 viene prodotto dal compartimento elettrochimico o di idrogenazione, entra nello strumento e viene ionizzato in H2+. Il quadrupolo seleziona frammenti di m/z = +2 e la carica corrispondente viene misurata dal rivelatore. La trama ottenuta con questa tecnica è la carica ionica nel tempo. La carica ionica viene misurata prima per il compartimento di idrogenazione e, quando il segnale si stabilizza, i canali vengono modificati per misurare il compartimento elettrochimico. La permeazione dell'idrogeno è calcolata dividendo la carica ionica media nel compartimento di idrogenazione per la carica ionica totale misurata nel reattore (equazione 1)11,12. Per calcolare la permeazione dell'idrogeno, H2 dai compartimenti idrogenazione ed elettrochimici viene misurato separatamente utilizzando atm-MS.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65098/65098eq1v2.jpg" style="margin: auto;"> (Eq. 1)
La spettrometria di massa gascromatografica (GC-MS) viene utilizzata per monitorare l'andamento della reazione di idrogenazione12,14,15,16. Per raccogliere dati per l'esempio, il compartimento di idrogenazione del reattore è riempito con 0,01 M propiofenone in etanolo. Applicando un potenziale attraverso l'anodo Pt e il catodo Pd, l'idrogeno reattivo viene fornito al compartimento di idrogenazione. Gli atomi di idrogeno reattivi idrogenano quindi la materia prima insatura e i prodotti vengono quantificati utilizzando GC-MS, dove il campione viene frammentato e ionizzato. Analizzando la massa di questi frammenti, è possibile determinare la composizione della soluzione di idrogenazione e calcolare le velocità di reazione 12,14,15,16.

<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

L'idrogenazione industriale consuma ~ 11 Mt di gas H2 di origine fossile all'anno. Il nostro gruppo ha inventato un reattore a membrana per aggirare la necessità di utilizzare il gas H2 per la chimica dell'idrogenazione. Il reattore a membrana fornisce idrogeno dall'acqua e guida le reazioni utilizzando elettricità rinnovabile. In questo reattore, un sottile pezzo di Pd separa un compartimento elettrochimico di produzione di idrogeno da un compartimento di idrogenazione chimica. Il Pd nel reattore a membrana agisce come (i) una membrana selettiva per l'idrogeno, (ii) un catodo e (iii) un catalizzatore per l'idrogenazione. Qui, riportiamo l'uso della spettrometria di massa atmosferica (atm-MS) e della spettrometria di massa gascromatografica (GC-MS) per dimostrare che una polarizzazione elettrochimica applicata attraverso una membrana Pd consente un'idrogenazione efficiente senza input diretto di H2 in un reattore a membrana. Con atm-MS, abbiamo misurato una permeazione dell'idrogeno del 73%, che ha permesso l'idrogenazione del propiofenone a propilbenzene con una selettività del 100%, misurata da GC-MS. A differenza dell'idrogenazione elettrochimica convenzionale, che è limitata a basse concentrazioni di materiale di partenza disciolto in un elettrolita protico, la separazione fisica della produzione di idrogeno dall'utilizzo nel reattore a membrana consente l'idrogenazione in qualsiasi solvente o a qualsiasi concentrazione. L'uso di alte concentrazioni e di un'ampia gamma di solventi è particolarmente importante per la scalabilità del reattore e la futura commercializzazione.

Atm-MS viene utilizzato per misurare la corrente ionica dell'idrogeno prodotto nel reattore a membrana. Possiamo usare queste misurazioni per quantificare quanto idrogeno permea attraverso la membrana Pd durante l'elettrolisi. In primo luogo, viene misurato l'idrogeno che si evolve dal compartimento di idrogenazione (Figura 3, a sinistra delle linee tratteggiate). Quando il segnale raggiunge uno stato stazionario, il canale viene commutato nel compartimento elettrochimico. Il gas H2</su...

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

I reattori a membrana consentono l'idrogenazione in condizioni ambientali senza ingresso diretto di H2 . Possiamo monitorare la produzione e l'utilizzo dell'idrogeno in questi sistemi utilizzando la spettrometria di massa atmosferica (atm-MS) e la spettrometria di massa gascromatografica (GC-MS).

Produzione e utilizzo dell'idrogeno in un reattore a membrana

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 ...

Il nostro protocollo descrive un metodo per isolare la produzione elettrochimica di idrogeno dall'idrogenazione chimica delle materie prime in un singolo reattore. Possiamo caratterizzare la quantità di idrogeno utilizzata nella reazione di idrogenazione desiderata. L'elettrochimica è separata dalla chimica dell'idrogenazione.Riduce la possibilità di reazioni collaterali e consente di lavorare con più solventi e concentrazioni rispetto all'uso di un elettrolita. Per iniziare, pulire la barra di wafer di palladio usando il panno di cotone imbevuto di esano e arrotolarla con un rullo manuale fino a quando il contatore digitale legge circa 150 micrometri. Quindi utilizzare un rullo automatico per ridurre lo spessore a 25 micrometri e tagliarlo in pezzi della dimensione desiderata.Per la ricottura, caricare i fogli di palladio laminati in un forno a muffola sotto un'atmosfera di azoto. Riscaldarli da 850 a 900 gradi Celsius per 1,5 ore aumentando gradualmente la temperatura da 25 a 900 gradi Celsius al ritmo di 60 gradi Celsius all'ora. Preparare una soluzione detergente mescolando 10 millilitri di acido nitrico, 20 millilitri di perossido di idrogeno al 30% e 10 millilitri di acqua deionizzata.Immergere i fogli di palladio ricotto nella soluzione detergente per 20-30 minuti fino a quando il gorgogliante gorgogliare si attenua o la soluzione diventa gialla. Dopo aver lavato due volte i fogli di palladio con acqua deionizzata, risciacquare con alcool isopropilico e asciugare all'aria. Quindi assemblare il reattore usando fogli di palladio preparati.Per preparare la soluzione galvanica, sciogliere il cloruro di palladio in un acido cloridrico molare. Riempire il compartimento elettrochimico del reattore con 24 millilitri della soluzione preparata lasciando vuoto il compartimento di idrogenazione. Posizionare un anodo a maglia di platino e un elettrodo di riferimento in cloruro d'argento nel compartimento elettrochimico.Collegare gli elettrodi a un potenziostato e applicare il potenziale di 0,2 volt al foglio di palladio rispetto al cloruro d'argento fino al passaggio di una carica di 15C. Dopo aver smontato il reattore, sciacquare la membrana di palladio risultante due volte con acqua deionizzata e una volta con alcool isopropilico. Una volta essiccato con aria o azoto, verificare la presenza di una deposizione visibile di palladio nero sulla superficie della membrana.Per assemblare il reattore, inserire la membrana di palladio preparata tra due metà di una cella H elettrochimica. Posizionare una guarnizione resistente agli agenti chimici tra il lato sinistro della cella e la membrana di palladio. Una volta posizionata una guarnizione aggiuntiva sul lato destro della cella, utilizzare una clip per sigillare la configurazione del reattore.Per l'idrogenazione elettrochimica, riempire il compartimento elettrochimico con 24 millilitri di acido solforico molare. Inserire un controelettrodo di platino nel compartimento elettrochimico e collegarlo al terminale positivo di un alimentatore. Utilizzando nastro di rame, attaccare la membrana di palladio al terminale negativo.Quindi applicare una corrente galvanostatica di 250 milliampere e da 3 a 5 tensioni attraverso la cella per 15 minuti. Dopo aver campionato 30 microlitri della soluzione di reazione, aggiungere 24 millilitri nel comparto chimico mantenendo la corrente galvanostatica. Raccogliere un campione ogni 15 minuti con una micro pipetta.Sciogliere in un millilitro di diclorometano nel flaconcino di GC-MS e conservarlo fino al completamento della reazione. Per analizzare i campioni, caricarli nel vassoio del campionatore automatico. Quindi fare clic sull'icona MassHunter per avviare il software GC-MS.Selezionare la sequenza, quindi modificare la sequenza per aprire la finestra di modifica della sequenza. Inserire il nome del campione, la posizione del flaconcino, il percorso del metodo, il file del metodo, il percorso dei dati e il file di dati nel grafico. Impostare il tipo di campione su campione e la diluizione su 1.Fare clic sul metodo seguito da Modifica intero metodo per regolare il metodo. Controllare sia le informazioni sul metodo che l'acquisizione dello strumento e premere OK. Inoltre, verificare che l'acquisizione e l'analisi dei dati siano controllate. Lasciare vuoti tutti gli altri campi e fare clic su OK. Impostare l'ingresso del campione su GC e la sorgente di iniezione su GC ALS.Assicurarsi che la casella Usa MS sia selezionata, che la posizione di ingresso sia impostata su Front, che MS sia collegata alla parte anteriore e quindi fare clic su OK. Sotto la scheda di ingresso, impostare la temperatura del riscaldatore su 250 gradi Celsius, la pressione su 7,2 libbre per pollice quadrato e il flusso di elio su 23,1 millilitri al minuto. Sotto la scheda del forno, impostare la temperatura iniziale su 50 gradi Celsius con una sospensione di un minuto. Imposta la frequenza di rampa su 25 gradi Celsius al minuto.La temperatura a 200 gradi Celsius con un minuto zero tenere premuto e premere OK. Verificare che tutti i segnali di visualizzazione non siano selezionati e fare clic su OK. Impostare il ritardo del solvente su 2,50 minuti e selezionare OK. Assicurarsi che il monitor includa la temperatura del forno GC, la temperatura dell'ingresso F GC, la pressione F dell'ingresso GC, il calc di flusso della colonna GC 2, i volt MS EM, la sorgente MS MS, il quad MS MS e fare clic su OK. Immettere il nome del metodo desiderato per salvare il metodo. Fare clic sulla sequenza seguita dalla sequenza di esecuzione, quindi selezionare la sequenza di esecuzione per avviare l'analisi del campione. Una volta completata la sequenza, aprire il software MassHunter e selezionare il nome del file per visualizzare i dati.Per identificare i picchi del prodotto, fare clic su spettro, quindi sul rapporto di ricerca nella libreria e su OK per confrontare gli spettri di massa acquisiti con il database NIST. Calcola la composizione relativa dei materiali di partenza e dei prodotti utilizzando l'equazione. La spettrometria di massa atmosferica ha misurato l'idrogeno prodotto nel compartimento di idrogenazione e un compartimento elettrochimico nel reattore a membrana.La membrana di palladio permeava il 73% di idrogeno con una corrente ionica media di 27 picoampere nel compartimento di idrogenazione e 10 nel compartimento elettrochimico. Al contrario, un'altra membrana ha mostrato meno dell'1% di permeazione all'idrogeno. GC-MS di idrogenazione sotto una polarizzazione elettrochimica ha mostrato un picco netto del propiofenone del materiale di partenza mentre la reazione progrediva formando picchi rappresentati propilbenzene e 1-fenil-1-propanolo, mentre il picco del propiofenone diminuiva.Al contrario, il propiofenone non è stato convertito nel prodotto quando la membrana di palladio non era polarizzata elettrochimicamente. Tuttavia, il cromatogramma mostrava un picco inaspettato attribuito a un'impurità. Sotto una membrana di palladio polarizzata elettrochimicamente, il profilo cinetico della reazione di idrogenazione ha dimostrato il cambiamento di composizione nel materiale e nei prodotti di partenza.Al contrario, quando la membrana di palladio non era polarizzata elettrochimicamente, la composizione del materiale di partenza non è stata modificata in quanto il prodotto non è stato formato. È importante assemblare il reattore per evitare perdite tra i compartimenti. Campionare la reazione con uno strumento preciso come una micropipetta per garantire dati di qualità dal GC-MS.Ulteriori metodi di caratterizzazione come H NMR possono essere eseguiti per confermare la struttura chimica dei prodotti di reazione.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

Analizzando la dinamica delle proteine ​​che utilizzano l&#39;idrogeno Scambio Spettrometria di Massa

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

Ricerca

Chimica

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

Strato sottile cromatografica (TLC) Separazioni e Bioassays di estratti vegetali per identificare composti antimicrobici

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

Elaborazione azoto supercritica per la purificazione di reattivi materiali porosi

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

Sintesi ed esfoliazione della discotici zirconio Fosfati di ottenere cristalli liquidi colloidale

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

Estrazione della fibra Ramie nel sistema di perossido di idrogeno di alcali supportato dall'origine di rilascio controllato alcali

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

Un reattore di flusso continuo fotocatalitica di precisamente controllato deposizione di nanoparticelle metalliche

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

Ridurre l'emissione di combustibile di salice a bassa temperatura a microonde assistito carbonizzazione Idrotermica

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

Preparazione di U2O5 Film via UO2 deposizione di corrente continua Sputtering e successiva ossidazione e riduzione con ossigeno atomico e idrogeno atomico

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

Metodi sperimentali per una produzione efficiente di idrogeno solare nell'ambiente di microgravità

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

Fase solida 11C-Metilazione, purificazione e formulazione per la produzione di traccianti PET

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