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

カナダ自然科学工学研究評議会(RGPIN-2018-06748)、カナダイノベーション財団(229288)、カナダ高等研究所(BSE-BERL-162173)、およびカナダ研究委員長の財政的支援に感謝します。この研究は、カナダファーストリサーチエクセレンス基金、量子材料および未来技術プログラムからの資金提供のおかげで行われました。GC-MS機器およびメソッド開発を支援してくださったUBC共有機器施設のBen Herringに感謝します。この原稿の開発と編集に貢献してくれたモニカ・ストラー博士に感謝します。最後に、ブリティッシュコロンビア大学のBerlinguetteグループ全体に、膜反応器の研究における継続的な支援と協力に感謝します。

1. 鉛ローリング
<ol><li>綿布を使用して、ヘキサンの混合物でPdウェーハバーを洗浄します。 注意: ヘキサンは可燃性であり、健康被害、刺激性、および環境に悪影響を及ぼします。適切な換気(つまり、シュノーケルまたはドラフト)の下で作業してください。</li>
	<li>デジタルマイクロメーターで決定された厚さ≤150μmに達するまで、手動ローラーを使用してPdウェーハを圧延?...

<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>

Pd膜は、水素透過と化学的水素化を可能にします。したがって、この膜の調製は、膜反応器の有効性にとって重要です。Pd膜のサイズ、結晶学、および表面は、実験結果を改善するために調整されています。Pd金属は任意の厚さで水素を発生させることができますが、Pd膜は25μmに圧延されます。この膜の厚さの標準化により、水素が膜を透過するのにかかる時間がすべての実験で一定になりま...

熱化学的水素化反応は、すべての化学合成の~20%で使用されます1。これらの反応は、通常化石燃料、150°C〜600°Cの間の温度、および200気圧2までの圧力に由来する大量のH2ガスを必要とする。電気化学的水素化は、これらの要件を回避し、水と再生可能電力を使用して水素化反応を促進するための魅力的な方法です3。従来の電気化学的水素化のために、不飽和供給原料は電気化学セル内のプロトン性電解質に溶解される。セルに電位が印加されると、アノードで水の酸化が起こり、カソードで水素化が起こります。この反応セットアップでは、電気化学的水酸化と化学的水素化の両方が同じ反応環境で発生します。有機基質はプロトン性電解質に溶解され、原料の電気化学的水分解と水素化の両方を可能にします。これらの反応が近接していると、反応物が求核攻撃を受けやすい場合、または反応物の濃度が高すぎる(>0.25 M)場合、副生成物の形成や電極の汚れを引き起こす可能性があります4。
これらの課題により、私たちのグループは水素化反応を電気化学的に駆動する代替方法を模索するようになりました5,6,7。この探索の結果、従来から水素ガス分離に用いられているPd膜を用いた8。電気化学反応器側の水電解用電極として使用しています。パラジウム膜のこの新しいアプリケーションは、電気化学的水酸化部位を化学的水素化部位から物理的に分離することを可能にする。結果として得られる反応器構成は2つの区画を有する:1)水素製造のための電気化学的区画;2)水素化のための化学コンパートメント(図1)。陽子は、Ptアノードとカソードとしても機能するPd膜に電位を印加することによって電気化学コンパートメントで生成されます。その後、これらのプロトンはPd膜に移動し、そこで表面吸着水素原子に還元されます。電気化学区画は、このプロトン移動を促進するためのオプションの陽イオン交換膜を含むように細分化することができる。表面吸着された水素原子は、Pd fcc格子9の格子間八面体部位を透過し、水素化区画の膜の反対側の面に現れ、そこで所与の原料の不飽和結合と反応して水素化生成物7,10,11,12,13,14,15,16を形成する.したがって、膜反応器内のPdは、(i)水素選択性膜、(ii)カソード、および(iii)水素化の触媒として機能します。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65098/65098fig1v2.jpg"> 図1:メンブレンリアクターでの水素化。 アノードでの水の酸化はプロトンを生成し、それはパラジウムカソード上で還元される。HはPd膜を透過し、プロピオフェノンと反応してプロピルベンゼンを形成します。水素発生は、パラジウム膜の両側で起こり得る競合反応である。大気質量分析では、化学原料は使用されず、Hは電気化学的または水素化コンパートメントのいずれかでH2 ガスの形態で反応器を離れる必要があります。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65098/65098fig1largev2.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
膜反応器は、電気化学式Hセル12のアノード区画とカソード区画との間にPd膜を挟むことによって組み立てられる。耐薬品性のOリングを使用して、膜を所定の位置に固定し、漏れのないシールを確保します。膜反応器の電気化学区画は、水素に富む水溶液を含有する。この研究では、1 M H 2 SO4と、5 cm2のプラチナメッシュで包まれたPtワイヤで構成されるアノードを使用します。アノードは、電気化学区画の上部にある穴を通して電解質溶液に沈められる。化学水素化区画は、溶媒および水素化原料7、10、11、12、16、17を含有する。Hセルコンパートメントの上部にある穴は、サンプリングに使用されます。ここに示す実験では、エタノール中の0.01 Mプロピオフェノンを水素化飼料として使用します。しかしながら、出発物質(および濃度)は、実験のニーズに合わせて変化させることができる。例えば、長い炭化水素鎖およびアルキン官能基を含む出発物質をペンタンに溶解して溶解性を向上させることができる11。反応に印加される電流は、5 mA / cm 2〜300 mA / cm2です。全ての反応は周囲温度および圧力下で行われる。
大気圧質量分析(atm−MS)は、水素化区画11、12に透過する電気化学区画内の水素のパーセントを測定するために使用される。この測定は、可能な最大の水素利用率(すなわち、生成される水素のどれだけが実際に水素化反応に使用できるか)を明らかにするため、膜反応器に必要なエネルギー入力を理解するために重要です。Pd膜を通る水素透過は、電気化学的および水素化区画11、12の両方から発生するH2の量を測定することによって計算される。透過値が100%の場合、電気化学コンパートメントで生成されたすべての水素がPd膜を介して水素化コンパートメントに輸送され、その後結合して水素ガスを形成することを意味します。<100%の透過値は、水素発生が膜を透過する前に電気化学区画で起こることを意味する。H2は電気化学的または水素化区画のいずれかから生成されるので、それは器具に入りそしてH2+にイオン化される。四重極はm / z = +2のフラグメントを選択し、対応する電荷が検出器によって測定されます。この手法によって得られるプロットは、経時的なイオン電荷である。イオン電荷は最初に水素化コンパートメントについて測定され、シグナルが安定したら、チャネルが変更されて電気化学コンパートメントが測定されます。水素透過量は、水素化区画内の平均イオン電荷を反応器内で測定された総イオン電荷で割ることによって計算される(式1)11、12。水素透過を計算するために、水素化および電気化学的区画からのH2を、atm−MSを用いて別々に測定する。
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65098/65098eq1v2.jpg" style="margin: auto;"> (式 1)
ガスクロマトグラフィー質量分析(GC−MS)は、水素化反応12、14、15、16の進行をモニターするために使用される。例のためのデータを収集するために、反応器の水素化区画はエタノール中の0.01 Mプロピオフェノンで満たされる。PtアノードとPdカソードの両端に電位を印加することにより、反応性水素が水素化区画に供給される。次に、反応性水素原子が不飽和原料を水素化し、GC-MSを使用して生成物を定量し、サンプルを断片化してイオン化します。これらの断片の質量を分析することにより、水素化溶液の組成を決定することができ、反応速度を計算できます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

工業用水素化は、年間~11Mtの化石由来H2 ガスを消費します。私たちのグループは、水素化化学にH2 ガスを使用する必要性を回避するために膜反応器を発明しました。膜反応器は水から水素を調達し、再生可能な電力を使用して反応を駆動します。この反応器では、Pdの薄い部分が電気化学的水素製造コンパートメントを化学水素化コンパートメントから分離します。膜反応器内のPdは、(i)水素選択膜、(ii)カソード、および(iii)水素化の触媒として機能します。ここでは、大気質量分析(atm-MS)およびガスクロマトグラフィー質量分析(GC-MS)を使用して、Pd膜全体に適用される電気化学的バイアスが、膜反応器に直接H2 を投入することなく効率的な水素化を可能にすることを実証することを報告します。atm-MSでは、73%の水素透過度を測定し、GC-MSで測定した100%の選択性でプロピオフェノンをプロピルベンゼンに水素化することができました。プロトン性電解質に溶解した低濃度の出発物質に限定される従来の電気化学的水素化とは対照的に、水素生成を膜反応器での利用から物理的に分離することで、任意の溶媒または任意の濃度での水素化が可能になります。高濃度で幅広い溶媒の使用は、反応器のスケーラビリティと将来の商業化にとって特に重要です。

Atm-MSは、メンブレンリアクターで生成される水素のイオン電流を測定するために使用されます。これらの測定値を使用して、電気分解中にPd膜を透過する水素の量を定量化できます。まず、水素化室から発生する水素を測定します(図3、点線の左側)。信号が定常状態に達すると、チャネルは電気化学コンパートメントに切り替わります。次に、電気化学コンパートメン?...

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

メンブレンリアクターは、直接H2 入力なしで周囲条件での水素化を可能にします。これらのシステムでは、大気質量分析(atm-MS)とガスクロマトグラフィー質量分析(GC-MS)を使用して、これらのシステムでの水素の生成と利用を追跡できます。

膜反応器における水素の製造と利用

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 ...

当社のプロトコルは、単一の反応器で電気化学的水素製造を化学原料水素化から分離する方法を説明しています。所望の水素化反応で使用される水素の量を特徴付けることができます。電気化学は水素化化学から分離されています。副反応の可能性を減らし、電解質の使用に制限されている場合よりも多くの溶媒と濃度での作業を可能にします。まず、ヘキサンに浸した綿布を使用してパラジウムウェーハバーを清掃し、デジタルメーターが約150マイクロメートルを読み取るまで手動ローラーで転がします。次に、自動ローラーを使用して厚さを25マイクロメートルに減らし、希望のサイズにカットします。焼鈍のために、圧延されたパラジウム箔を窒素雰囲気下でマッフル炉に装填する。1時間あたり摂氏60度の割合で摂氏25度から900度まで徐々に温度を上げて、摂氏850〜900度で1.5時間加熱します。10ミリリットルの硝酸、20ミリリットルの30%過酸化水素、および10ミリリットルの脱イオン水を混合して洗浄液を調製します。アニールしたパラジウム箔を洗浄液に20〜30分間浸し、激しい泡立ちがおさまるか、溶液が黄色に変わるまで浸します。パラジウム箔をイオン交換水で2回洗浄した後、イソプロピルアルコールですすぎ、風乾します。次に、準備したパラジウム箔を使用して反応器を組み立てます。電気めっき液を調製するには、塩化パラジウムを1モルの塩酸に溶解します。反応器の電気化学区画に24ミリリットルの調製溶液を満たし、水素化区画を空にする。白金メッシュの陽極と塩化銀の参照電極を電気化学コンパートメントに配置します。電極をポテンショスタットに接続し、15Cの電荷が通過するまで、パラジウム箔と塩化銀に0.2ボルトの電位を印加します。反応器を分解した後、得られたパラジウム膜をイオン交換水で2回、イソプロピルアルコールで1回すすぐ。空気または窒素で乾燥させたら、膜表面に黒色パラジウムの目に見える堆積がないか確認します。反応器を組み立てるために、準備したパラジウム膜を電気化学的Hセルの2つの半分の間に挟む。細胞の左側とパラジウム膜の間に耐薬品性ガスケットを配置します。追加のガスケットがセルの右側に配置されたら、クリップを使用してリアクター構成を密閉します。電気化学的水素化のために、電気化学区画に24ミリリットルの1モル硫酸を満たす。白金対電極を電気化学コンパートメントに挿入し、電源のプラス端子に接続します。銅テープを使用して、パラジウム膜をマイナス端子に取り付けます。次に、250ミリアンペアのガルバノスタティック電流とセル全体に3〜5の電圧を15分間印加します。30マイクロリットルの反応溶液をサンプリングした後、ガルバノスタット電流を維持しながら化学コンパートメントに24ミリリットルを追加します。マイクロピペットで15分ごとにサンプルを採取します。GC-MSバイアル中のジクロロメタン1ミリリットルに溶解し、反応が完了するまで保存します。サンプルを分析するには、サンプルをオートサンプラートレイにロードします。次に、マスハンターアイコンをクリックしてGC-MSソフトウェアを起動します。シーケンスを選択し、シーケンスを編集してシーケンス編集ウィンドウを開きます。サンプル名、バイアル位置、メソッドパス、メソッドファイル、データパス、およびデータファイルをチャートに入力します。サンプルタイプをサンプルに設定し、希釈率を1に設定します。メソッドをクリックしてから、メソッド全体を編集してメソッドを調整します。メソッド情報と機器取得の両方を確認し、[OK]を押します。また、データ取得とデータ分析がチェックされていることを確認します。他のすべてのフィールドを空白のままにして、[OK] をクリックします。サンプルインレットをGCに設定し、注入ソースをGC ALSに設定します。[MSを使用]ボックスがオンになっていること、入口の位置が前面に設定されていること、MSが前面に接続されていることを確認し、[OK]をクリックします。入口タブで、ヒーター温度を摂氏250度、圧力を7.2ポンド/平方インチ、ヘリウム流量を毎分23.1ミリリットルに設定します。オーブンタブで、1分間保持しながら初期温度を摂氏50度に設定します。ランプ レートを摂氏 25 度/分に設定します。温度を摂氏200度まで、ゼロ分間押し続けて[OK]を押します。すべての表示信号が選択されていないことを確認し、[OK]をクリックします。溶媒遅延を 2.50 分に設定し、[OK] を選択します。モニターにGCオーブン温度、GC入口F温度、GC入口F圧力、GCカラム2フロー計算、MS EMボルト、MS MSソース、MS MSクワッドが含まれていることを確認し、[OK]をクリックします。目的のメソッド名を入力して、メソッドを保存します。シーケンスをクリックしてから実行シーケンスをクリックし、実行シーケンスを選択してサンプル分析を開始します。シーケンスが完了したら、MassHunterソフトウェアを開き、ファイル名を選択してデータを表示します。製品のピークを特定するには、スペクトル、ライブラリ検索レポート、OKの順にクリックして、取得したマススペクトルをNISTデータベースと比較します。式を使用して出発原料と製品の相対組成を計算します。大気質量分析では、膜反応器内の水素化コンパートメントと電気化学コンパートメントで生成された水素を測定しました。パラジウム膜は、水素化区画で27ピコアンペア、電気化学区画で10ピコアンペアの平均イオン電流で73%水素を透過した。対照的に、別の膜は水素に対して1%未満の透過を示した。電気化学的バイアス下での水素化のGC-MSは、反応が進行するにつれて出発物質プロピオフェノンの鋭いピークを示し、プロピルベンゼンと1-フェニル-1-プロパノールに代表されるピークを形成し、プロピオフェノンピークは減少した。対照的に、プロピオフェノンは、パラジウム膜が電気化学的に偏っていないときに生成物に変換されなかった。しかし、クロマトグラムは不純物に起因する予期しないピークを示しました。電気化学的に偏ったパラジウム膜の下で、水素化反応の速度論的プロファイルは、出発物質および生成物の組成変化を示した。対照的に、パラジウム膜が電気化学的に偏っていない場合、生成物が形成されなかったため、出発原料組成は変化しなかった。コンパートメント間の漏れを防ぐために、リアクターを組み立てることが重要です。マイクロピペットなどの精密機器で反応をサンプリングし、GC-MSからの高品質なデータを確保します。H NMRなどの追加の特性評価法を実行して、反応生成物の化学構造を確認することができます。

Research

JoVE Journal

Chemistry

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

水素交換質量分析法を用いてタンパク質のダイナミクスを分析する

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

薄層クロマトグラフィー（TLC）分離および植物抽出物のバイオアッセイは、抗菌化合物を同定するために

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

反応性多孔質材料を精製するための超臨界窒素処理

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

コロイド液の結晶を得ることが合成とディスコティックリン酸ジルコニウムの剥離

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

アルカリ過酸化水素システム制御リリース アルカリ ソースによってサポートされるラミー繊維の抽出

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

金属ナノ粒子の正確に制御された沈着量の連続的な流れの光触媒反応

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

低温マイクロ波支援によるウィローウッド燃料排出量の削減補助熱炭化

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膜を介して直流スパッタリングと連続酸化による UO2成膜と酸素原子と水素原子の還元

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

微小重力環境における効率的な太陽水素製造のための実験方法

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

PETトレーサー製造のための固相11C-メチル化、精製および製剤

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