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

Vi er takknemlige for Canadian Natural Sciences and Engineering Research Council (RGPIN-2018-06748), Canadian Foundation for Innovation (229288), Canadian Institute for Advanced Research (BSE-BERL-162173) og Canada Research Chairs for økonomisk støtte. Denne forskningen ble gjennomført delvis takket være finansiering fra Canada First Research Excellence Fund, Quantum Materials and Future Technologies Program. Vi takker Ben Herring ved UBC Shared Instrument Facility for hjelp med GC-MS instrument- og metodeutvikling. Vi takker Dr. Monika Stolar for bidrag til utvikling og redigering av dette manuskriptet. Til slutt takker vi hele Berlinguette-gruppen ved University of British Columbia for deres fortsatte støtte og samarbeid i studiet av membranreaktoren.

1. Pd rullende
<ol><li>Rengjør Pd-skivestangen med en blanding av heksaner med en bomullsklut. FORSIKTIG: Heksan er brannfarlig, en helsefare, irriterende og miljøskadelig. Arbeid under riktig ventilasjon (dvs. en snorkel eller avtrekkshette).</li>
	<li>Rull Pd-waferen med en manuell rulle til den når en tykkelse på ≤150 μm, som bestemt av et digitalt mikrometer.</li>
	<li>Rull Pd ved hjelp av en automatisk rulle til en tykkelse på 25 μm, som bestemt av et digitalt mikrometer. Kutt deretter...

<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-membranen muliggjør hydrogenpermeasjon og kjemisk hydrogenering. Fremstillingen av denne membranen er derfor viktig for effekten av membranreaktoren. Pd-membranstørrelsen, krystallografien og overflaten er innstilt for å forbedre de eksperimentelle resultatene. Selv om Pd-metall kan utvikle hydrogen i hvilken som helst tykkelse, rulles Pd-membranene til 25 μm. Denne standardiseringen av membrantykkelse sikrer at tiden det tar for hydrogen å trenge gjennom membranen er konstant for alle forsøkene. Dessuten, jo ty...

Termokjemiske hydrogeneringsreaksjoner brukes i ~ 20% av all kjemisk syntese1. Disse reaksjonene krever store mengder H 2 gass, som vanligvis kommer fra fossile brensler, temperaturer mellom 150 ° C og 600 ° C, og trykk opp til 200 atm2. Elektrokjemisk hydrogenering er en tiltalende måte å omgå disse kravene og å drive hydrogeneringsreaksjoner ved bruk av vann og fornybar elektrisitet3. For konvensjonell elektrokjemisk hydrogenering oppløses et umettet råstoff i en protisk elektrolytt i en elektrokjemisk celle. Når et potensial påføres cellen, oppstår vannoksidasjon ved anoden, mens hydrogenering skjer ved katoden. I dette reaksjonsoppsettet forekommer både elektrokjemisk vannoksidasjon og kjemisk hydrogenering i samme reaksjonsmiljø. Det organiske substratet oppløses i en protisk elektrolytt for å muliggjøre både elektrokjemisk vannsplitting og hydrogenering av råstoffet. Nærheten til disse reaksjonene kan føre til biproduktdannelse og elektrodebegroing når reaktanten er utsatt for nukleofilt angrep eller hvis reaktantkonsentrasjonen er for høy (>0,25 M)4.
Disse utfordringene førte til at vår gruppe utforsket alternative måter å elektrokjemisk drive hydrogeneringsreaksjoner 5,6,7. Dette søket resulterte i bruk av en Pd-membran, som konvensjonelt brukes i hydrogengassseparasjon8. Vi bruker den som en elektrode for vannelektrolyse på den elektrokjemiske reaktorsiden. Denne nye anvendelsen av en palladiummembran muliggjør fysisk separasjon av stedet for elektrokjemisk vannoksidasjon fra stedet for kjemisk hydrogenering. Den resulterende reaktorkonfigurasjonen har to rom: 1) et elektrokjemisk rom for hydrogenproduksjon; og 2) et kjemisk rom for hydrogenering (figur 1). Protoner genereres i det elektrokjemiske rommet ved å påføre et potensial over Pt-anoden og Pd-membranen, som også fungerer som katoden. Disse protonene migrerer deretter til Pd-membranen, hvor de reduseres til overflateadsorberte hydrogenatomer. Det elektrokjemiske rommet kan deles inn for å inkludere en valgfri kationbyttermembran for å lette denne protonmigrasjonen. De overflateadsorberte hydrogenatomene gjennomsyrer de interstitielle oktaediske stedene til Pd fcc-gitteret9 og dukker opp på motsatt side av membranen i hydrogeneringsrommet, hvor de reagerer med de umettede bindingene til et gitt råmateriale for å danne hydrogenerte produkter 7,10,11,12,13,14,15,16. Pd i membranreaktoren fungerer derfor som (i) en hydrogenselektiv membran, (ii) en katode og (iii) en katalysator for hydrogenering.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65098/65098fig1v2.jpg"> Figur 1: Hydrogenering i en membranreaktor. Vannoksidasjon ved anoden produserer protoner, som reduseres på palladiumkatoden. H gjennomsyrer Pd-membranen og reagerer med propiofenon for å danne propylbenzen. Hydrogenevolusjon er en konkurrerende reaksjon som kan forekomme på begge sider av palladiummembranen. For atmosfærisk massespektrometri brukes ikke noe kjemisk råstoff, noe som krever at H forlater reaktoren i form avH2-gass i verken de elektrokjemiske eller hydrogeneringsrommene. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65098/65098fig1largev2.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
Membranreaktoren settes sammen ved å klemme en Pd-membran mellom anode- og katoderommene i en elektrokjemisk H-celle12. Kjemikaliebestandige O-ringer brukes til å feste membranen på plass og sikre en lekkasjefri forsegling. Det elektrokjemiske rommet i membranreaktoren inneholder en hydrogenrik vandig løsning. I denne studien bruker vi 1 MH2 SO4 og en anode som består av en Pt-ledning innhyllet i et 5 cm2 stykke platinanett. Anoden er nedsenket i elektrolyttløsningen gjennom et hull i toppen av det elektrokjemiske rommet. Det kjemiske hydrogeneringsrommet inneholder et løsningsmiddel og hydrogeneringsråstoff 7,10,11,12,16,17. Hullet på toppen av H-cellerommet brukes til prøvetaking. Forsøkene vist her bruker 0,01 M propiofenon i etanol som hydrogeneringsfôr. Imidlertid kan utgangsmaterialet (og konsentrasjonen) varieres for å passe til de eksperimentelle behovene. For eksempel kan et utgangsmateriale som inneholder en lang hydrokarbonkjede og en alkynfunksjonell gruppe oppløses i pentan for å forbedre løseligheten11. Den påførte strøm for reaksjonen kan være mellom 5 mA / cm 2 og 300 mA / cm2. Alle reaksjoner utføres under omgivelsestemperatur og trykk.
Atmosfærisk massespektrometri (atm-MS) brukes til å måle prosentandelen hydrogen i det elektrokjemiske rommet som gjennomsyrer hydrogeneringsrommet11,12. Denne måling er viktig for å forstå energiinngangene som kreves for membranreaktoren, fordi den avslører maksimal mulig hydrogenutnyttelse (dvs. hvor mye av hydrogenet som produseres, kan faktisk brukes til hydrogeneringsreaksjoner). Hydrogenpermeasjon gjennom Pd-membranen beregnes ved å måle mengden H2 som utvikler seg fra både de elektrokjemiske og hydrogeneringsrommene11,12. En permeasjonsverdi på 100% betyr at alt hydrogen produsert i det elektrokjemiske rommet transporteres gjennom Pd-membranen til hydrogeneringsrommet og deretter kombineres for å danne hydrogengass. En permeasjonsverdi på <100% betyr at hydrogenutvikling skjer i det elektrokjemiske rommet før det gjennomsyres gjennom membranen. Da H2 produseres fra enten det elektrokjemiske eller hydrogeneringsrommet, kommer det inn i instrumentet og ioniseres til H2+. Kvadrupolen velger fragmenter av m / z = +2, og den tilsvarende ladningen måles av detektoren. Plottet oppnådd ved denne teknikken er den ioniske ladningen over tid. Den ioniske ladningen måles først for hydrogeneringsrommet, og når signalet stabiliserer seg, endres kanalene for å måle det elektrokjemiske rommet. Hydrogenpermeasjon beregnes ved å dele den gjennomsnittlige ionladningen i hydrogeneringsrommet med den totale ionladningen målt i reaktoren (ligning 1)11,12. For å beregne hydrogenpermeasjon måles H2 fra hydrogenering og elektrokjemiske rom separat ved bruk av atm-MS.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65098/65098eq1v2.jpg" style="margin: auto;"> (Eq. 1)
Gasskromatografi massespektrometri (GC-MS) brukes til å overvåke fremdriften av hydrogeneringsreaksjonen12,14,15,16. For å samle inn data for eksempelet er hydrogeneringsrommet til reaktoren fylt med 0, 01 M propiofenon i etanol. Ved å påføre et potensial over Pt-anoden og Pd-katoden, tilføres reaktivt hydrogen til hydrogeneringsrommet. De reaktive hydrogenatomene hydrogenerer deretter det umettede råstoffet, og produktene kvantifiseres ved hjelp av GC-MS, hvor prøven fragmenteres og ioniseres. Ved å analysere massen av disse fragmentene kan sammensetningen av hydrogeneringsløsningen bestemmes, og reaksjonshastighetene kan beregnes12,14,15,16.

<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

Industriell hydrogenering forbruker ~ 11 Mt fossil avledet H2 gass årlig. Vår gruppe oppfant en membranreaktor for å omgå behovet for å bruke H2 gass for hydrogeneringskjemi. Membranreaktoren henter hydrogen fra vann og driver reaksjoner ved hjelp av fornybar elektrisitet. I denne reaktoren separerer et tynt stykke Pd et elektrokjemisk hydrogenproduksjonsrom fra et kjemisk hydrogeneringsrom. Pd i membranreaktoren fungerer som (i) en hydrogenselektiv membran, (ii) en katode og (iii) en katalysator for hydrogenering. Her rapporterer vi bruk av atmosfærisk massespektrometri (atm-MS) og gasskromatografi massespektrometri (GC-MS) for å demonstrere at en anvendt elektrokjemisk skjevhet over en Pd-membran muliggjør effektiv hydrogenering uten direkteH2-inngang i en membranreaktor. Med atm-MS målte vi en hydrogenpermeasjon på 73%, noe som muliggjorde hydrogenering av propiofenon til propylbenzen med 100% selektivitet, målt ved GC-MS. I motsetning til konvensjonell elektrokjemisk hydrogenering, som er begrenset til lave konsentrasjoner av utgangsmateriale oppløst i en protisk elektrolytt, muliggjør den fysiske separasjonen av hydrogenproduksjon fra utnyttelse i membranreaktoren hydrogenering i ethvert løsningsmiddel eller i hvilken som helst konsentrasjon. Bruk av høye konsentrasjoner og et bredt spekter av løsemidler er spesielt viktig for reaktorskalerbarhet og fremtidig kommersialisering.

Atm-MS brukes til å måle ionstrømmen til hydrogenet som produseres i membranreaktoren. Vi kan bruke disse målingene til å kvantifisere hvor mye hydrogen som trenger gjennom Pd-membranen under elektrolyse. Først måles hydrogenet som utvikler seg fra hydrogeneringsrommet (figur 3, til venstre for de stiplede linjene). Når signalet når en jevn tilstand, byttes kanalen til det elektrokjemiske rommet. H2-gassen som utvikler seg fra det elektrokjemiske rommet, måles deretter til signalet...

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

Membranreaktorer muliggjør hydrogenering i omgivelsesforhold uten direkteH2-inngang . Vi kan spore hydrogenproduksjon og utnyttelse i disse systemene ved hjelp av atmosfærisk massespektrometri (atm-MS) og gasskromatografi massespektrometri (GC-MS).

Hydrogenproduksjon og -utnyttelse i en 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 ...

Vår protokoll beskriver en metode for å isolere elektrokjemisk hydrogenproduksjon fra kjemisk råstoffhydrogenering i en enkelt reaktor. Vi kan karakterisere mengden hydrogen som brukes i ønsket hydrogeneringsreaksjon. Elektrokjemi er skilt fra hydrogeneringskjemi.Det reduserer sjansen for sidereaksjoner og tillater arbeid med flere løsningsmidler og konsentrasjoner enn om det er begrenset til bruk av en elektrolytt. For å begynne, rengjør palladiumskivestangen med bomullsduken dyppet i heksan og rull den med en manuell rulle til den digitale måleren leser omtrent 150 mikrometer. Bruk deretter en automatisk rulle for å redusere tykkelsen til 25 mikrometer og kutt den i stykker av ønsket størrelse.For glødning, legg de valsede palladiumfoliene i en muffelovn under en nitrogenatmosfære. Varm dem ved 850 til 900 grader Celsius i 1,5 timer ved gradvis å øke temperaturen fra 25 til 900 grader Celsius med en hastighet på 60 grader Celsius per time. Forbered en rengjøringsløsning ved å blande 10 ml salpetersyre, 20 ml 30% hydrogenperoksid og 10 ml avionisert vann.Senk de glødede palladiumfoliene i rengjøringsløsningen i 20 til 30 minutter til den kraftige boblen avtar eller løsningen blir gul. Etter vask av palladiumfoliene to ganger med avionisert vann, skyll med isopropylalkohol og lufttørk. Monter deretter reaktoren ved hjelp av preparerte palladiumfolie.For å fremstille galvaniseringsløsningen, oppløs palladiumklorid i en molar saltsyre. Fyll det elektrokjemiske rommet i reaktoren med 24 ml av den fremstilte løsningen, og la hydrogeneringsrommet være tomt. Plasser en platinanettanode og sølvkloridreferanseelektrode i det elektrokjemiske rommet.Koble elektrodene til en potensiostat og påfør potensialet på 0,2 volt til palladiumfolie versus sølvklorid til en 15C ladning passerer. Etter demontering av reaktoren, skyll den resulterende palladiummembranen to ganger med avionisert vann og en gang med isopropylalkohol. Når det er tørket med luft eller nitrogen, må du kontrollere for synlig avsetning av svart palladium på membranoverflaten.For å montere reaktoren, smør den tilberedte palladiummembranen mellom to halvdeler av en elektrokjemisk H-celle. Plasser en kjemikaliebestandig pakning mellom venstre side av cellen og palladiummembranen. Når en ekstra pakning er plassert på høyre side av cellen, bruk et klips for å forsegle reaktorkonfigurasjonen.For elektrokjemisk hydrogenering, fyll det elektrokjemiske rommet med 24 ml av en molar svovelsyre. Sett inn en platina-tellerelektrode i det elektrokjemiske rommet og koble den til den positive terminalen på en strømforsyning. Bruk kobberbånd til å feste palladiummembranen til den negative terminalen.Påfør deretter en galvanostatisk strøm på 250 milliampere og 3 til 5 spenning over cellen i 15 minutter. Etter prøvetaking av 30 mikroliter av reaksjonsoppløsningen, tilsett 24 ml i det kjemiske rommet som opprettholder galvanostatisk strøm. Samle en prøve hvert 15. minutt med en mikropipette.Oppløs i en milliliter diklormetan i GC-MS hetteglass og oppbevar det til reaksjonen er fullført. For å analysere prøvene, legg dem inn i den automatiske prøvetakerskuffen. Klikk deretter på MassHunter-ikonet for å starte GC-MS-programvaren.Velg sekvens og deretter rediger sekvens for å åpne sekvensredigeringsvinduet. Fyll ut eksempelnavnet, vialposisjonen, metodebanen, metodefilen, databanen og datafilen i diagrammet. Sett prøvetypen til prøven og fortynningen til 1.Klikk på metoden etterfulgt av rediger hele metoden for å justere metoden. Kontroller både metodeinformasjon og instrumentinnsamling og trykk på OK. Kontroller også at datainnsamling og dataanalyse er kontrollert. La annethvert felt stå tomt, og klikk OK. Sett prøveinntaket til GC og injeksjonskilden til GC ALS.Forsikre deg om at bruk MS-boksen er merket av, innløpsplasseringen er satt foran, MS er koblet til fronten og klikk deretter OK. Under innløpsfanen setter du varmetemperaturen til 250 grader Celsius, trykk til 7,2 pund per kvadrattomme og heliumstrømmen til 23,1 milliliter per minutt. Under ovnsfanen setter du starttemperaturen til 50 grader Celsius med ett minutts hold. Sett rampehastigheten til 25 grader Celsius per minutt.Temperaturen til 200 grader Celsius med null minutt hold og trykk OK. Kontroller at alle visningssignaler ikke er valgt, og klikk på OK. Sett løsemiddelforsinkelsen til 2,50 minutter, og velg OK. Forsikre deg om at skjermen inkluderer GC-ovntemperatur, GC-inntak F-temperatur, GC-inntak F-trykk, GC-kolonne 2 strømningskalk, MS EM-volt, MS MS-kilde, MS MS quad, og klikk OK. Skriv inn ønsket metodenavn for å lagre metoden. Klikk på sekvensen etterfulgt av kjøresekvens, og velg deretter kjør sekvens for å starte prøveanalysen. Når sekvensen er fullført, åpner du MassHunter-programvaren og velger filnavnet for å se dataene.For å identifisere produkttoppene, klikk spektrum, deretter biblioteksøkerapport og OK for å sammenligne de oppkjøpte massespektrene med NIST-databasen. Beregn den relative sammensetningen av utgangsmaterialer og produkter ved hjelp av ligningen. Det atmosfæriske massespektrometriet målte hydrogenet produsert i hydrogeneringsrommet og et elektrokjemisk rom i membranreaktoren.Palladiummembranen gjennomsyret 73% hydrogen med en gjennomsnittlig ionstrøm på 27 picoampere i hydrogeneringsrommet og 10 i det elektrokjemiske rommet. I kontrast viste en annen membran mindre enn 1% permeasjon til hydrogen. GC-MS av hydrogenering under en elektrokjemisk skjevhet viste en skarp topp av utgangsmaterialet propiofenon da reaksjonen utviklet seg og dannet topper representert propylbenzen og 1-fenyl-1-propanol, mens propiofenontoppen ble redusert.I motsetning til dette ble propiofenon ikke omdannet til produktet når palladiummembranen ikke var elektrokjemisk forspent. Kromatogrammet viste imidlertid en uventet topp som tilskrives en urenhet. Under en elektrokjemisk forspent palladiummembran demonstrerte den kinetiske profilen til hydrogeneringsreaksjonen sammensetningsendringen i utgangsmateriale og produkter.I kontrast, når palladiummembranen ikke var elektrokjemisk partisk, ble sammensetningen av utgangsmaterialet ikke endret da produktet ikke ble dannet. Det er viktig å montere reaktoren for å forhindre lekkasje mellom rommene. Ta prøver av reaksjonen med et presist instrument som en mikropipette for å sikre kvalitetsdata fra GC-MS.Ytterligere karakteriseringsmetoder som H NMR kan utføres for å bekrefte den kjemiske strukturen til reaksjonsproduktene.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

Analysere Protein Dynamics Bruke Hydrogen Exchange-massespektrometri

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

Tynnsjiktskromatografiske (TLC) separasjoner og biologiske tester av planteekstrakter for å identifisere antimikrobielle forbindelser

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

Kritisk Nitrogen Processing for rensing av reaktiv porøse materialer

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

Syntese og Peeling av Discotic Zirkonium Fosfater henter Kolloidalt 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

Utvinning av Rami Fiber i lut hydrogenperoksid systemet støttes av kontrollert-release Alkali kilde

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

En kontinuerlig strøm Photocatalytic reaktoren presist kontrollert ham av metallisk nanopartikler

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

Redusere Willow Wood Fuel utslipp ved lav temperatur mikrobølgeovn assistert hydrotermisk karbonisering

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 forberedelse via UO2 deponering av likestrøm Sputtering og påfølgende oksidering og reduksjon med atomisk oksygen og Atom Hydrogen

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

Eksperimentelle metoder for effektiv Solar hydrogen produksjon i mikrogravitasjon miljø

Long-term space flights and cis-lunar research platforms require a sustainable and light life-support hardware which can be reliably employed outside the ...

Solid Phase 11C-Methylation, Purification and Formulation for the Production of PET Tracers

Solid Phase 11C-Methylation, Purification and Formulation for the Production of PET Tracers

Solid Phase 11C-metylering, rensing og formulering for produksjon av pet Bevegelsesuskarphet

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