Name: hydrogen production and utilization in a membrane reactor
Uploaded: 2023-03-10T13:15:00
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캐나다 자연 과학 및 공학 연구 위원회(RGPIN-2018-06748), 캐나다 혁신 재단(229288), 캐나다 고등 연구 연구소(BSE-BERL-162173) 및 재정 지원을 해주신 캐나다 연구 위원장에 감사드립니다. 이 연구는 부분적으로 Canada First Research Excellence Fund, Quantum Materials and Future Technologies Program의 자금 지원 덕분에 수행되었습니다. GC-MS 기기 및 분석법 개발에 도움을 주신 UBC Shared Instrument Facility의 Ben Herring에게 감사드립니다. 이 원고의 개발과 편집에 기여한 Monika Stolar 박사에게 감사드립니다. 마지막으로, 멤브레인 반응기 연구에 대한 지속적인 지원과 협력에 대해 브리티시 컬럼비아 대학교의 전체 Berlinguette Group에 감사드립니다.

1. PD 롤링
<ol><li>면봉을 사용하여 헥산 혼합물로 Pd 웨이퍼 바를 청소합니다. 주의 : 헥산은 가연성이며 건강에 해롭고 자극적이며 환경에 해를 끼칩니다. 적절한 환기(예: 스노클 또는 흄 후드)에서 작업하십시오.</li>
	<li>디지털 마이크로미터에 의해 결정된 바와 같이, ≤150 μm의 두께에 도달할 때까지 수동 롤러를 사용하여 Pd 웨이퍼를 굴린다.</li>
	<li>자동 롤러를 사용하여 디지털...

<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 멤브레인은 수소 투과 및 화학적 수소화를 가능하게 합니다. 따라서이 멤브레인의 제조는 멤브레인 반응기의 효능에 중요합니다. Pd 멤브레인 크기, 결정학 및 표면은 실험 결과를 개선하기 위해 조정됩니다. Pd 금속은 어떤 두께에서도 수소를 방출할 수 있지만 Pd 멤브레인은 25μm로 압연됩니다. 이러한 멤브레인 두께의 표준화는 수소가 멤브레인을 통해 투과하는 데 걸리는 시간이 모든 실험에?...

열화학적 수소화 반응은 모든 화학 합성의 ~20%에서 사용됩니다1. 이러한 반응에는 일반적으로 화석 연료에서 파생되는 다량의 H 2 가스, 150 ° C에서 600 ° C 사이의 온도 및 최대 200 atm2의 압력이 필요합니다. 전기화학적 수소화는 이러한 요구 사항을 우회하고 물과 재생 가능한 전기를 사용하여 수소화 반응을 유도하는 매력적인 방법입니다3. 종래의 전기화학적 수소화의 경우, 불포화 공급원료는 전기화학 전지 내의 양성자성 전해질에 용해된다. 전지에 전위가 가해지면 양극에서는 물 산화가 발생하고 음극에서는 수소화가 발생합니다. 이 반응 설정에서는 전기화학적 물 산화와 화학적 수소화가 모두 동일한 반응 환경에서 발생합니다. 유기 기질은 양성자성 전해질에 용해되어 공급 원료의 전기 화학적 물 분해 및 수소화를 가능하게합니다. 이러한 반응의 근접성은 반응물이 친핵성 공격에 취약하거나 반응물 농도가 너무 높을 경우(>0.25M)4 부산물 형성 및 전극 오염을 유발할 수 있습니다.
이러한 도전으로 인해 우리 그룹은 수소화 반응 5,6,7을 전기 화학적으로 유도하는 대체 방법을 모색하게되었습니다. 이러한 검색 결과, 종래 수소 가스 분리에 사용되는 Pd 멤브레인(Pd)이 사용되었다8. 전기화학 반응기 측의 물 전기분해를 위한 전극으로 사용합니다. 팔라듐 멤브레인의 이러한 새로운 적용은 화학적 수소화 부위에서 전기화학적 물 산화 부위의 물리적 분리를 가능하게 합니다. 생성 된 반응기 구성은 2 개의 구획을 갖는다 : 1) 수소 생산을위한 전기 화학 구획; 2) 수소화 반응을 위한 화학적 구획(그림 1). 양성자는 Pt 양극과 음극 역할도 하는 Pd 멤브레인에 전위를 가하여 전기화학적 구획에서 생성됩니다. 그런 다음 이 양성자는 Pd 막으로 이동하여 표면에 흡착된 수소 원자로 환원됩니다. 전기화학적 구획은 이러한 양성자 이동을 용이하게 하기 위해 선택적인 양이온 교환막을 포함하도록 세분될 수 있다. 표면 흡착된 수소 원자는 Pd fcc 격자(9)의 틈새 팔면체 부위를 통해 투과되고 수소화 격실에서 멤브레인의 반대면에 나타나며, 여기서 주어진 공급 원료의 불포화 결합과 반응하여 수소화 생성물 7,10,11,12,13,14,15,16을 형성합니다. 따라서 멤브레인 반응기의 Pd는 (i) 수소 선택성 멤브레인, (ii) 음극 및 (iii) 수소화 촉매 역할을 합니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65098/65098fig1v2.jpg"> 그림 1: 멤브레인 반응기에서의 수소화 반응. 양극에서의 물 산화는 양성자를 생성하며, 이는 팔라듐 음극에서 환원됩니다. H는 Pd 막을 통해 투과하고 프로피오페논과 반응하여 프로필벤젠을 형성합니다. 수소 발생은 팔라듐 막의 양쪽에서 발생할 수 있는 경쟁 반응입니다. 대기 질량 분석법의 경우, 화학 공급 원료가 사용되지 않으므로 H가 H2 가스 형태로 반응기를 전기 화학 또는 수소화 구획에 남겨 둘 필요가 있습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65098/65098fig1largev2.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
멤브레인 반응기는 전기화학적 H-전지(12)의 애노드와 캐소드 격실 사이에 Pd 멤브레인을 끼우고 조립된다. 내화학성 O-링은 멤브레인을 제자리에 고정하고 누출 없는 밀봉을 보장하는 데 사용됩니다. 멤브레인 반응기의 전기화학적 구획에는 수소가 풍부한 수용액이 포함되어 있습니다. 본 연구에서는 1 MH2SO4 및 5 cm2 백금 메쉬 조각으로 둘러싸인 Pt 와이어로 구성된 양극을 사용합니다. 양극은 전기화학적 구획의 상부에 있는 구멍을 통해 전해질 용액에 잠겨 있습니다. 화학적 수소화 구획은 용매 및 수소화 공급 원료 7,10,11,12,16,17을 함유한다. H 셀 구획 상단의 구멍은 샘플링에 사용됩니다. 여기에 표시된 실험은 수소화 사료로 에탄올에 0.01M 프로피오페논을 사용합니다. 그러나, 출발 물질(및 농도)은 실험 요구에 맞게 변화될 수 있다. 예를 들어, 긴 탄화수소 사슬 및 알킨 작용기를 함유하는 출발 물질은 용해도를 향상시키기 위해 펜탄에 용해될 수 있다(11). 반응에 인가된 전류는 5mA/cm2 내지 300mA/cm2 사이일 수 있다. 모든 반응은 상온 및 압력 하에서 수행된다.
대기 질량 분광법(atm-MS)은 수소화 격실(11, 12)로 투과하는 전기화학적 격실에서 수소의 백분율을 측정하기 위해 사용된다. 이 측정은 가능한 최대 수소 이용(즉, 생산되는 수소의 양이 실제로 수소화 반응에 사용될 수 있음)을 나타내기 때문에 멤브레인 반응기에 필요한 에너지 입력을 이해하는 데 중요합니다. Pd 막을 통한 수소 투과는 전기화학적 및 수소화 구획 둘 다로부터 진화하는 H2의 양을 측정함으로써 계산된다(11, 12). 100%의 투과 값은 전기화학적 격실에서 생성된 모든 수소가 Pd 막을 통해 수소화 격실로 운반된 다음 결합하여 수소 가스를 형성한다는 것을 의미합니다. <100%의 투과 값은 멤브레인을 통해 투과되기 전에 전기화학적 구획에서 수소 발생이 발생함을 의미합니다. H 2 는 전기 화학 또는 수소화 구획에서 생성되므로 기기에 들어가 H2 +로 이온화됩니다. 사중극자는 m/z = +2의 단편을 선택하고 해당 전하가 검출기에 의해 측정됩니다. 이 기술로 얻은 플롯은 시간 경과에 따른 이온 전하입니다. 수소화 구획에 대한 이온 전하를 먼저 측정하고 신호가 안정화되면 채널을 변경하여 전기 화학 구획을 측정합니다. 수소 투과는 수소화 구획의 평균 이온 전하를 반응기에서 측정된 총 이온 전하로 나누어 계산합니다(방정식 1)11,12. 수소 투과를 계산하기 위해, 수소화 및 전기화학적 구획으로부터의H2를 atm-MS를 사용하여 별도로 측정한다.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65098/65098eq1v2.jpg" style="margin: auto;"> (식 1)
가스 크로마토그래피 질량 분광분석법(GC-MS)은 수소화 반응12,14,15,16의 진행을 모니터링하기 위해 사용된다. 예를 들어, 반응기의 수소화 구획은 에탄올 중 0.01M 프로피오페논으로 채워진다. Pt 양극과 Pd 음극에 전위를 가하면 반응성 수소가 수소화 구획에 공급됩니다. 그런 다음 반응성 수소 원자는 불포화 공급 원료를 수소화하고 GC-MS를 사용하여 생성물을 정량화하여 샘플이 단편화되고 이온화됩니다. 이들 단편의 질량을 분석함으로써, 수소화 용액의 조성이 결정될 수 있고, 반응 속도가 계산될 수 있다12,14,15,16.

<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

산업용 수소화는 매년 ~11Mt의 화석 유래 H2 가스를 소비합니다. 우리 그룹은 수소화 화학을 위해 H2 가스를 사용할 필요성을 우회하기 위해 멤브레인 반응기를 발명했습니다. 멤브레인 반응기는 물에서 수소를 공급하고 재생 가능한 전기를 사용하여 반응을 유도합니다. 이 반응기에서 얇은 Pd 조각은 전기화학적 수소 생산 구획과 화학적 수소화 구획을 분리합니다. 멤브레인 반응기 내의 Pd는 (i) 수소 선택성 멤브레인, (ii) 음극 및 (iii) 수소화 촉매 역할을 한다. 여기에서 우리는 대기 질량 분석법(atm-MS) 및 가스 크로마토그래피 질량 분석법(GC-MS)의 사용을 보고하여 Pd 멤브레인에 적용된 전기화학적 바이어스가 멤브레인 반응기에서 직접H2 입력 없이 효율적인 수소화를 가능하게 한다는 것을 입증합니다. atm-MS를 사용하여 73%의 수소 투과를 측정하여 GC-MS로 측정한 바와 같이 100% 선택성으로 프로피오페논을 프로필벤젠으로 수소화할 수 있었습니다. 양성자성 전해질에 용해된 낮은 농도의 출발 물질로 제한되는 기존의 전기화학적 수소화와 달리, 멤브레인 반응기에서의 이용으로부터 수소 생산의 물리적 분리는 모든 용매 또는 모든 농도에서 수소화를 가능하게 합니다. 고농도 및 광범위한 용매의 사용은 반응기 확장성 및 향후 상용화에 특히 중요합니다.

Atm-MS는 멤브레인 반응기에서 생성되는 수소의 이온 전류를 측정하는 데 사용됩니다. 이러한 측정값을 사용하여 전기분해 중에 Pd 멤브레인을 통해 얼마나 많은 수소가 투과되는지 정량화할 수 있습니다. 먼저, 수소화 구획에서 발생하는 수소를 측정합니다(그림 3, 점선 왼쪽). 신호가 정상 상태에 도달하면 채널이 전기화학적 구획으로 전환됩니다. 그런 다음 전기화학적 구?...

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Hydrogen Production and Utilization in a Membrane Reactor

멤브레인 반응기는 직접H2 입력 없이 주변 조건에서 수소화를 가능하게 합니다. 대기 질량 분석법(atm-MS) 및 가스 크로마토그래피 질량 분석법(GC-MS)을 사용하여 이러한 시스템에서 수소 생산 및 활용을 추적할 수 있습니다.

멤브레인 반응기에서의 수소 생산 및 활용

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 ...

당사의 프로토콜은 단일 반응기에서 화학 공급 원료 수소화에서 전기 화학적 수소 생산을 분리하는 방법을 설명합니다. 원하는 수소화 반응에 사용되는 수소의 양을 특성화할 수 있습니다. 전기 화학은 수소화 화학과 분리됩니다.부반응의 가능성을 줄이고 전해질 사용으로 제한되는 것보다 더 많은 용매와 농도로 작업할 수 있습니다. 시작하려면 헥산에 적신 면직물을 사용하여 팔라듐 웨이퍼 바를 청소하고 디지털 미터가 약 150마이크로미터를 읽을 때까지 수동 롤러로 굴립니다. 그런 다음 자동 롤러를 사용하여 두께를 25마이크로미터로 줄이고 원하는 크기의 조각으로 자릅니다.어닐링을 위해, 압연된 팔라듐 호일을 질소 분위기 하에서 머플로에 로드합니다. 시간당 섭씨 60도의 속도로 섭씨 25도에서 900도까지 온도를 서서히 높여 섭씨 850도에서 900도 동안 1.5시간 동안 가열합니다. 질산 10 밀리리터, 30 % 과산화수소 20 밀리리터 및 탈 이온수 10 밀리리터를 혼합하여 세척액을 준비하십시오.어닐링된 팔라듐 호일을 세척액에 20-30분 동안 격렬한 버블링이 가라앉거나 용액이 노랗게 변할 때까지 담그십시오. 팔라듐 호일을 탈이온수로 2회 세척한 후 이소프로필 알코올로 헹구고 자연 건조합니다. 그런 다음 준비된 팔라듐 호일을 사용하여 반응기를 조립합니다.전기 도금 용액을 준비하려면 염화 팔라듐을 1 몰 염산에 용해시킵니다. 반응기의 전기화학적 구획을 24밀리리터의 준비된 용액으로 채우고 수소화 구획을 비워 둡니다. 백금 메쉬 양극과 염화은 기준 전극을 전기화학적 구획에 배치합니다.전극을 전위차에 연결하고 0.2C 전하가 통과할 때까지 팔라듐 호일 대 염화은에 15볼트의 전위를 적용합니다. 반응기를 분해한 후, 생성된 팔라듐 막을 탈이온수로 두 번, 이소프로필 알코올로 한 번 헹굽니다. 공기 또는 질소로 건조되면 멤브레인 표면에 검은색 팔라듐이 눈에 띄게 침착되는지 확인합니다.반응기를 조립하기 위해, 준비된 팔라듐 막을 전기화학적 H 셀의 두 반쪽 사이에 끼운다. 셀의 왼쪽과 팔라듐 멤브레인 사이에 내화학성 개스킷을 놓습니다. 추가 개스킷이 셀의 오른쪽에 배치되면 클립을 사용하여 반응기 구성을 밀봉합니다.전기 화학적 수소화의 경우, 전기 화학 구획을 1 몰 황산 24 밀리리터로 채 웁니다. 백금 상대 전극을 전기화학 구획에 삽입하고 전원 공급 장치의 양극 단자에 연결합니다. 구리 테이프를 사용하여 팔라듐 멤브레인을 음극 단자에 부착합니다.그런 다음 15분 동안 셀에 250밀리암페어의 갈바노스테틱 전류와 3-5 전압을 인가합니다. 30 마이크로 리터의 반응 용액을 샘플링 한 후, 갈바노 정전기 전류를 유지하는 화학 구획에 24 밀리리터를 첨가한다. 마이크로 피펫으로 15분마다 샘플을 수집합니다.GC-MS 바이알에 디클로로메탄 1밀리리터를 녹이고 반응이 완료될 때까지 보관합니다. 샘플을 분석하려면 자동 샘플러 트레이에 로드합니다. 그런 다음 MassHunter 아이콘을 클릭하여 GC-MS 소프트웨어를 시작합니다.시퀀스를 선택한 다음 시퀀스 편집을 선택하여 시퀀스 편집 창을 엽니다. 샘플 이름, 바이알 위치, 분석법 경로, 분석법 파일, 데이터 경로 및 데이터 파일을 차트에 입력합니다. 샘플 유형을 샘플로 설정하고 희석을 1로 설정합니다.방법을 클릭한 다음 전체 방법 편집을 클릭하여 방법을 조정합니다. 분석법 정보와 기기 획득을 모두 확인하고 OK를 누릅니다. 또한 데이터 수집 및 데이터 분석이 확인되는지 확인합니다. 다른 모든 필드는 비워 두고 확인을 클릭합니다. 샘플 주입구를 GC로 설정하고 주입 소스를 GC ALS로 설정합니다.MS 사용 상자가 선택되어 있는지, 입구 위치가 전면으로 설정되어 있는지, MS가 전면에 연결되어 있는지 확인한 다음 확인을 클릭합니다. 입구 탭에서 히터 온도를 섭씨 250도, 압력을 제곱인치당 7.2파운드, 헬륨 흐름을 분당 23.1밀리리터로 설정합니다. 오븐 탭에서 초기 온도를 섭씨 50도로 설정하고 1분 동안 유지합니다. 램프 속도를 분당 섭씨 25도로 설정합니다.온도가 섭씨 200도까지 0분 동안 누르고 있으면 OK를 누릅니다. 모든 디스플레이 신호가 선택되지 않았는지 확인하고 OK를 클릭합니다. 용매 지연을 2.50분으로 설정하고 확인을 선택합니다. 모니터에 GC 오븐 온도, GC 입구 F 온도, GC 입구 F 압력, GC 컬럼 2 유량 계산, MS EM 볼트, MS MS 소스, MS MS 쿼드가 포함되어 있는지 확인하고 확인을 클릭합니다. 원하는 메서드 이름을 입력하여 메서드를 저장합니다. 시퀀스를 클릭한 다음 시퀀스 실행을 클릭한 다음 시퀀스 실행을 선택하여 샘플 분석을 시작합니다. 시퀀스가 완료되면 MassHunter 소프트웨어를 열고 파일 이름을 선택하여 데이터를 봅니다.곱 피크를 식별하려면 스펙트럼을 클릭한 다음 라이브러리 검색 보고서를 클릭하고 확인을 클릭하여 획득한 질량 스펙트럼을 NIST 데이터베이스와 비교합니다. 방정식을 사용하여 출발 물질과 제품의 상대적 조성을 계산하십시오. 대기 질량 분석법은 멤브레인 반응기의 수소화 구획과 전기화학 구획에서 생성된 수소를 측정했습니다.팔라듐 멤브레인은 수소화 구획에서 27 피코 암페어, 전기 화학 구획에서 10의 평균 이온 전류로 73 %의 수소를 투과했습니다. 대조적으로, 다른 막은 수소에 1% 미만의 투과를 보였다. 전기화학적 바이어스 하에서 수소화 반응의 GC-MS는 반응이 진행됨에 따라 출발 물질인 프로피오페논의 급격한 피크를 나타내어 프로필벤젠과 1-페닐-1-프로판올을 나타내는 피크를 형성한 반면 프로피오페논 피크는 감소했습니다.대조적으로, 프로피오페논은 팔라듐 막이 전기화학적으로 편향되지 않았을 때 생성물로 전환되지 않았습니다. 그러나 크로마토그램은 불순물로 인한 예상치 못한 피크를 표시했습니다. 전기화학적으로 편향된 팔라듐 막 하에서, 수소화 반응의 동역학적 프로파일은 출발 물질 및 생성물의 조성 변화를 입증하였다.대조적으로, 팔라듐 막이 전기화학적으로 바이어스되지 않은 경우, 생성물이 형성되지 않았기 때문에 출발 물질 조성이 변하지 않았다. 구획 사이의 누출을 방지하기 위해 반응기를 조립하는 것이 중요합니다. 마이크로 피펫과 같은 정밀 기기로 반응을 샘플링하여 GC-MS의 품질 데이터를 보장합니다.H NMR과 같은 추가 특성화 방법을 수행하여 반응 생성물의 화학 구조를 확인할 수 있습니다.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

수소 환율 질량 분석을 사용하여 단백질의 역학 분석

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

연구

화학

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

박층 크로마토 그래피 (T​​LC) 분판 및 식물 추출물의 생물학적 검정법은 항균 화합물을 확인하는

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

반응성이 있음 다공성 물질의 정제를위한 초 임계 질소 처리

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

합성 및 디스코 틱 지르코늄 인산염의 각질 제거는 콜로이드 액체 크리스탈을 구하는

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

알칼리 과산화 수소 시스템 제어 릴리스 알칼리 소스에서 지 원하는 모시 섬유의 추출

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

금속 나노 입자의 정확 하 게 제어 증 착에 대 한 연속 흐름 촉매 반응 기

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

저온 마이크로파 보조 열 량 화에의 한 버드 나무 연료 방출 감소

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

UO2 증 착 직류 스퍼터 링 및 연속 산화와 산소 원자와 원자 수소 감소를 통해 U2O5 영화 준비

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

미세 중력 환경에서 효율적인 태양 수소 생산을위한 실험 방법

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 트레이서 생산을 위한 고체 상 11C-메틸화, 정제 및 제형

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