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 är tacksamma för Canadian Natural Sciences and Engineering Research Council (RGPIN-2018-06748), Canadian Foundation for Innovation (229288), Canadian Institute for Advanced Research (BSE-BERL-162173) och Canada Research Chairs för ekonomiskt stöd. Denna forskning genomfördes delvis tack vare finansiering från Canada First Research Excellence Fund, Quantum Materials and Future Technologies Program. Vi tackar Ben Herring på UBC Shared Instrument Facility för hjälp med GC-MS-instrumentet och metodutveckling. Vi tackar Dr. Monika Stolar för bidrag till utvecklingen och redigeringen av detta manuskript. Slutligen tackar vi hela Berlinguette-gruppen vid University of British Columbia för deras fortsatta stöd och samarbete i studien av membranreaktorn.

1. Pd rullande
<ol><li>Rengör Pd-skivstången med en blandning av hexan med en bomullstyg. VARNING: Hexan är brandfarligt, en hälsorisk, irriterande och miljöskadligt. Arbeta under korrekt ventilation (dvs. en snorkel eller en dragskåp).</li>
	<li>Rulla Pd-skivan med en manuell rulle tills den når en tjocklek på ≤150 μm, bestämd av en digital mikrometer.</li>
	<li>Rulla Pd med en automatisk rulle till en tjocklek av 25 μm, bestämd av en digital mikrometer. Skär sedan den resulterande P...

<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-membranet möjliggör vätegenomträngning och kemisk hydrogenering. Beredningen av detta membran är därför viktig för membranreaktorns effektivitet. Pd-membranstorleken, kristallografin och ytan är inställda för att förbättra experimentresultaten. Även om Pd-metall kan utveckla väte vid vilken tjocklek som helst, rullas Pd-membranen till 25 μm. Denna standardisering av membrantjockleken säkerställer att den tid det tar för väte att tränga igenom membranet är konstant för alla experiment. Dessutom, ...

Termokemiska hydrogeneringsreaktioner används i ~ 20% av all kemisk syntes1. Dessa reaktioner kräver stora mängderH2-gas , som vanligtvis härrör från fossila bränslen, temperaturer mellan 150 °C och 600 °C och tryck upp till 200 atm2. Elektrokemisk hydrogenering är ett tilltalande sätt att kringgå dessa krav och att driva hydrogeneringsreaktioner med vatten och förnybar el3. För konventionell elektrokemisk hydrogenering löses en omättad råvara i en protisk elektrolyt i en elektrokemisk cell. När en potential appliceras på cellen sker vattenoxidation vid anoden, medan hydrogenering sker vid katoden. I denna reaktionsinställning sker både elektrokemisk vattenoxidation och kemisk hydrogenering i samma reaktionsmiljö. Det organiska substratet löses i en protisk elektrolyt för att möjliggöra både elektrokemisk vattenspjälkning och hydrogenering av råmaterialet. Närheten till dessa reaktioner kan leda till biproduktbildning och elektrodnedsmutsning när reaktanten är mottaglig för nukleofil attack eller om reaktantkoncentrationen är för hög (>0,25 M)4.
Dessa utmaningar fick vår grupp att utforska alternativa sätt att elektrokemiskt driva hydrogeneringsreaktioner 5,6,7. Denna sökning resulterade i användningen av ett Pd-membran, som konventionellt används vid vätgasseparation8. Vi använder den som elektrod för vattenelektrolys på den elektrokemiska reaktorsidan. Denna nya tillämpning av ett palladiummembran möjliggör fysisk separation av platsen för elektrokemisk vattenoxidation från platsen för kemisk hydrogenering. Den resulterande reaktorkonfigurationen har två fack: 1) ett elektrokemiskt fack för väteproduktion; och 2) en kemisk avdelning för hydrogenering (figur 1). Protoner genereras i det elektrokemiska facket genom att applicera en potential över Pt-anoden och Pd-membranet, som också fungerar som katoden. Dessa protoner migrerar sedan till Pd-membranet, där de reduceras till ytadsorberade väteatomer. Det elektrokemiska facket kan delas upp för att inkludera ett valfritt katjonbytesmembran för att underlätta denna protonmigration. De ytadsorberade väteatomerna tränger igenom de interstitiella oktaedriska platserna i Pd fcc-gitteret9 och dyker upp på motsatt sida av membranet i hydrogeneringsfacket, där de reagerar med de omättade bindningarna hos en given råvara för att bilda hydrerade produkter 7,10,11,12,13,14,15,16. Pd i membranreaktorn fungerar därför som (i) ett väteselektivt membran, (ii) en katod och (iii) en katalysator för hydrogenering.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65098/65098fig1v2.jpg"> Figur 1: Hydrogenering i en membranreaktor. Vattenoxidation vid anoden producerar protoner, vilka reduceras på palladiumkatoden. H tränger igenom Pd-membranet och reagerar med propiofenon för att bilda propylbensen. Väteutveckling är en konkurrerande reaktion som kan inträffa på vardera sidan av palladiummembranet. För atmosfärisk masspektrometri används ingen kemisk råvara, vilket kräver att H lämnar reaktorn i form avH2-gas i antingen elektrokemiska utrymmen eller hydrogeneringsutrymmen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65098/65098fig1largev2.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
Membranreaktorn monteras genom att ett Pd-membran kläms in mellan anod- och katodfacken i en elektrokemisk H-cell12. Kemikaliebeständiga O-ringar används för att säkra membranet på plats och säkerställa en läckagefri tätning. Membranreaktorns elektrokemiska fack innehåller en väterik vattenhaltig lösning. I denna studie använder vi 1 M H 2SO4 och en anod som består av en Pt-tråd innesluten i ett 5 cm2stycke platinanät. Anoden är nedsänkt i elektrolytlösningen genom ett hål i toppen av det elektrokemiska facket. Det kemiska hydrogeneringsfacket innehåller ett lösningsmedel och hydrogeneringsråvara 7,10,11,12,16,17. Hålet på toppen av H-cellfacket används för provtagning. Experimenten som visas här använder 0,01 M propiofenon i etanol som hydrogeneringsmatning. Utgångsmaterialet (och koncentrationen) kan dock varieras för att passa experimentella behov. Till exempel kan ett utgångsmaterial som innehåller en lång kolvätekedja och en alkynfunktionell grupp lösas i pentan för att förbättra lösligheten11. Den applicerade strömmen för reaktionen kan vara mellan 5 mA / cm 2 och 300 mA / cm2. Alla reaktioner utförs under omgivningstemperatur och tryck.
Atmosfärisk masspektrometri (atm-MS) används för att mäta procentandelen väte i det elektrokemiska facket som tränger igenom hydrogeneringsfacket11,12. Denna mätning är viktig för att förstå den energitillförsel som krävs för membranreaktorn, eftersom den avslöjar det maximala möjliga väteutnyttjandet (dvs. hur mycket av vätet som produceras faktiskt kan användas för hydrogeneringsreaktioner). Vätegenomträngning genom Pd-membranet beräknas genom att mäta mängden H2 som utvecklas från både elektrokemiska och hydrogeneringsfack11,12. Ett genomträngningsvärde på 100% innebär att allt väte som produceras i det elektrokemiska facket transporteras genom Pd-membranet till hydrogeneringsfacket och sedan kombineras för att bilda vätgas. Ett genomträngningsvärde på <100% innebär att väteutveckling sker i det elektrokemiska facket innan det tränger igenom membranet. EftersomH2 produceras från antingen det elektrokemiska eller hydrogeneringsfacket kommer det in i instrumentet och joniseras tillH2+. Kvadrupolen väljer fragment av m / z = +2, och motsvarande laddning mäts av detektorn. Diagrammet erhållet med denna teknik är jonladdningen över tiden. Den joniska laddningen mäts först för hydrogeneringsfacket, och när signalen stabiliseras ändras kanalerna för att mäta det elektrokemiska facket. Vätegenomträngning beräknas genom att dividera den genomsnittliga jonladdningen i hydrogeneringsutrymmet med den totala jonladdningen uppmätt i reaktorn (ekvation 1)11,12. För att beräkna vätegenomträngning mätsH2 från hydrogenering och elektrokemiska fack separat med användning av atm-MS.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65098/65098eq1v2.jpg" style="margin: auto;"> (Ekv. 1)
Gaskromatografi masspektrometri (GC-MS) används för att övervaka utvecklingen av hydrogeneringsreaktionen12,14,15,16. För att samla in data för exemplet fylls reaktorns hydrogeneringsfack med 0,01 M propiofenon i etanol. Genom att applicera en potential över Pt-anoden och Pd-katoden tillförs reaktivt väte till hydrogeneringsfacket. De reaktiva väteatomerna hydrerar sedan det omättade råmaterialet och produkterna kvantifieras med GC-MS, där provet fragmenteras och joniseras. Genom att analysera massan av dessa fragment kan hydrogeneringslösningens sammansättning bestämmas och reaktionshastigheterna kan beräknas12,14,15,16.

<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 förbrukar ~ 11 Mt fossil-härleddH2-gas årligen. Vår grupp uppfann en membranreaktor för att kringgå behovet av att användaH2-gas för hydrogeneringskemi. Membranreaktorn hämtar väte från vatten och driver reaktioner med förnybar el. I denna reaktor separerar en tunn bit Pd ett elektrokemiskt väteproduktionsfack från ett kemiskt hydrogeneringsfack. Pd i membranreaktorn fungerar som (i) ett väteselektivt membran, (ii) en katod och (iii) en katalysator för hydrogenering. Här rapporterar vi användningen av atmosfärisk masspektrometri (atm-MS) och gaskromatografimasspektrometri (GC-MS) för att visa att en applicerad elektrokemisk bias över ett Pd-membran möjliggör effektiv hydrogenering utan direktH2-ingång i en membranreaktor. Med atm-MS mätte vi en vätegenomträngning på 73%, vilket möjliggjorde hydrogenering av propiofenon till propylbensen med 100% selektivitet, mätt med GC-MS. Till skillnad från konventionell elektrokemisk hydrogenering, som är begränsad till låga koncentrationer av utgångsmaterial upplöst i en protisk elektrolyt, möjliggör den fysiska separationen av väteproduktion från användning i membranreaktorn hydrogenering i vilket lösningsmedel som helst eller vid vilken koncentration som helst. Användningen av höga koncentrationer och ett brett spektrum av lösningsmedel är särskilt viktigt för reaktorns skalbarhet och framtida kommersialisering.

Atm-MS används för att mäta jonströmmen hos det väte som produceras i membranreaktorn. Vi kan använda dessa mätningar för att kvantifiera hur mycket väte som tränger igenom Pd-membranet under elektrolys. Först mäts vätet som utvecklas från hydrogeneringsfacket (figur 3, vänster om de streckade linjerna). När signalen når ett stabilt tillstånd växlas kanalen till det elektrokemiska facket. H2-gasen som utvecklas från det elektrokemiska utrymmet mäts sedan tills signalen ?...

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 möjliggör hydrogenering i omgivande förhållanden utan direktH2-ingång . Vi kan spåra väteproduktionen och användningen i dessa system med hjälp av atmosfärisk masspektrometri (atm-MS) och gaskromatografi masspektrometri (GC-MS).

Vätgasproduktion och användning 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 ...

Vårt protokoll beskriver en metod för att isolera elektrokemisk vätgasproduktion från kemisk råvaruhydrogenering i en enda reaktor. Vi kan karakterisera mängden väte som används i den önskade hydrogeneringsreaktionen. Elektrokemi separeras från hydrogeneringskemi.Det minskar risken för sidoreaktioner och gör det möjligt att arbeta med fler lösningsmedel och koncentrationer än om det är begränsat till användning av en elektrolyt. För att börja, rengör palladiumskivstången med bomullsduken doppad i hexan och rulla den med en manuell rulle tills den digitala mätaren läser cirka 150 mikrometer. Använd sedan en automatisk rulle för att minska tjockleken till 25 mikrometer och skär den i bitar av önskad storlek.För glödgning, ladda de valsade palladiumfolierna i en muffelugn under en kväveatmosfär. Värm dem vid 850 till 900 grader Celsius i 1,5 timmar genom att gradvis öka temperaturen från 25 till 900 grader Celsius med en hastighet av 60 grader Celsius per timme. Förbered en rengöringslösning genom att blanda 10 ml salpetersyra, 20 ml 30% väteperoxid och 10 ml avjoniserat vatten.Sänk ner de glödgade palladiumfolierna i rengöringslösningen i 20 till 30 minuter tills den kraftiga bubblingen avtar eller lösningen blir gul. Efter tvättning av palladiumfolierna två gånger med avjoniserat vatten, skölj med isopropylalkohol och lufttorka. Montera sedan reaktorn med beredda palladiumfolier.För att förbereda elektropläteringslösningen, lös palladiumklorid i en molär saltsyra. Fyll reaktorns elektrokemiska fack med 24 ml av den beredda lösningen och lämna hydrogeneringsfacket tomt. Placera en platinanätanod och silverkloridreferenselektrod i det elektrokemiska facket.Anslut elektroderna till en potentiostat och applicera potentialen på 0,2 volt på palladiumfolie kontra silverklorid tills en 15C-laddning passerar. Efter demontering av reaktorn, skölj det resulterande palladiummembranet två gånger med avjoniserat vatten och en gång med isopropylalkohol. När det har torkats med luft eller kväve, kontrollera om det finns en synlig avsättning av svart palladium på membranytan.För att montera reaktorn, smörj det beredda palladiummembranet mellan två halvor av en elektrokemisk H-cell. Placera en kemikaliebeständig packning mellan cellens vänstra sida och palladiummembranet. När en extra packning har placerats på höger sida av cellen, använd ett klämma för att täta reaktorkonfigurationen.För elektrokemisk hydrogenering fyller du det elektrokemiska facket med 24 ml molar svavelsyra. Sätt in en platinaräknarelektrod i det elektrokemiska facket och anslut den till den positiva terminalen på en strömförsörjning. Använd koppartejp och fäst palladiummembranet på den negativa terminalen.Applicera sedan en galvanostatisk ström på 250 milliampère och 3 till 5 spänning över cellen i 15 minuter. Efter provtagning av 30 mikroliter av reaktionslösningen, tillsätt 24 ml i det kemiska facket för att bibehålla galvanostatisk ström. Samla ett prov var 15: e minut med en mikropipett.Lös upp i en milliliter diklormetan i GC-MS-injektionsflaskan och förvara den tills reaktionen är fullständig. För att analysera proverna, ladda dem i det automatiska provbrickan. Klicka sedan på MassHunter-ikonen för att starta GC-MS-programvaran.Välj sekvens och redigera sedan sekvens för att öppna sekvensredigeringsfönstret. Fyll i provnamnet, injektionsflaskans position, metodsökväg, metodfil, datasökväg och datafil i diagrammet. Ställ in provtypen på prov och spädningen på 1.Klicka på metoden följt av redigera hela metoden för att justera metoden. Kontrollera både metodinformation och instrumentförvärv och tryck på OK. Kontrollera också att datainsamling och dataanalys är markerade. Lämna alla andra fält tomma och klicka på OK. Ställ in provinloppet på GC och injektionskällan på GC ALS.Se till att rutan Använd MS är markerad, inloppsplatsen är inställd på front, MS är ansluten till framsidan och klicka sedan på OK. Under inloppsfliken ställer du in värmetemperaturen till 250 grader Celsius, trycket till 7,2 pund per kvadrattum och heliumflödet till 23,1 milliliter per minut. Under ugnsfliken ställer du in initialtemperaturen på 50 grader Celsius med en minuts håll. Ställ in ramphastigheten på 25 grader Celsius per minut.Temperaturen till 200 grader Celsius med noll minuters håll och tryck på OK. Kontrollera att alla visningssignaler inte är markerade och klicka på OK. Ställ in lösningsmedelsfördröjningen på 2,50 minuter och välj OK. Se till att monitorn inkluderar GC-ugnstemperatur, GC-inlopp F-temperatur, GC-inlopp F-tryck, GC-kolumn 2-flödesberäkning, MS EM-volt, MS MS-källa, MS MS quad och klicka på OK. Ange önskat metodnamn för att spara metoden. Klicka på sekvensen följt av körningssekvensen och välj sedan körningssekvens för att starta exempelanalysen. När sekvensen är klar öppnar du MassHunter-programvaran och väljer filnamnet för att visa data.För att identifiera produkttopparna, klicka på spektrum, sedan bibliotekssökningsrapport och OK för att jämföra det förvärvade masspektra med NIST-databasen. Beräkna den relativa sammansättningen av utgångsmaterial och produkter med hjälp av ekvationen. Den atmosfäriska masspektrometrin mätte vätet som producerades i hydrogeneringsfacket och ett elektrokemiskt fack i membranreaktorn.Palladiummembranet genomsyrade 73% väte med en genomsnittlig jonström på 27 picoampere i hydrogeneringsfacket och 10 i det elektrokemiska facket. Däremot visade ett annat membran mindre än 1% permeation till väte. GC-MS för hydrogenering under en elektrokemisk bias visade en kraftig topp av utgångsmaterialet propiofenon när reaktionen fortskred och bildade toppar representerade propylbensen och 1-fenyl-1-propanol, medan propiofenontoppen minskade.Däremot omvandlades propiofenon inte till produkten när palladiummembranet inte var elektrokemiskt förspänt. Kromatogrammet visade emellertid en oväntad topp som tillskrivs en förorening. Under ett elektrokemiskt förspänt palladiummembran visade hydrogeneringsreaktionens kinetiska profil kompositionsförändringen i utgångsmaterial och produkter.Däremot, när palladiummembranet inte var elektrokemiskt förspänt, ändrades inte utgångsmaterialets sammansättning eftersom produkten inte bildades. Det är viktigt att montera reaktorn för att förhindra läckage mellan fack. Provta reaktionen med ett exakt instrument som en mikropipett för att säkerställa kvalitetsdata från GC-MS.Ytterligare karakteriseringsmetoder som H NMR kan utföras för att bekräfta reaktionsprodukternas kemiska struktur.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

Analysera Protein Dynamics Använda Hydrogen Exchange masspektrometri

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

Tunnskiktskromatografisk (TLC) Separationer och Bioanalyser av växtextrakt för att identifiera antimikrobiella föreningar

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

Superkritisk Kväve Behandling för rening av reaktiva porösa material

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

Syntes och exfoliering av disko Zirkonium Fosfater Skaffa Colloidal 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 Alkali väteperoxid System stöds av kontrollerad frisättning Alkali källa

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 flöde fotokatalytisk reaktor för exakt kontrollerade nedfall av metalliska nanopartiklar

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

Minska Willow Wood bränsle emission av låg temperatur mikrovågsugn Assisted 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 Tillredning via UO2 nedfall av likström sputtring och efterföljande Oxidation och reduktion med atom-syre och atom väte

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

Experimentella metoder för effektiv produktion av sol väte i Mikrogravitations miljö

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 fas 11C-metylering, rening och formulering för produktion av PET-tracers

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