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

Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendisliği Araştırma Konseyi'ne (RGPIN-2018-06748), Kanada İnovasyon Vakfı'na (229288), Kanada İleri Araştırma Enstitüsü'ne (BSE-BERL-162173) ve Kanada Araştırma Başkanlarına finansal destek için minnettarız. Bu araştırma kısmen Kanada İlk Araştırma Mükemmellik Fonu, Kuantum Malzemeleri ve Gelecek Teknolojileri Programı'nın finansmanı sayesinde gerçekleştirildi. UBC Paylaşımlı Enstrüman Tesisi'nden Ben Herring'e GC-MS enstrümanı ve yöntem geliştirme konusundaki yardımları için teşekkür ederiz. Bu yazının geliştirilmesine ve düzenlenmesine katkılarından dolayı Dr. Monika Stolar'a teşekkür ederiz. Son olarak, British Columbia Üniversitesi'ndeki tüm Berlinguette Grubu'na, membran reaktörünün incelenmesinde devam eden destekleri ve işbirlikleri için teşekkür ederiz.

1. Pd haddeleme
<ol><li>Pd gofret çubuğunu pamuklu bir bez kullanarak altıgen karışımıyla temizleyin. DİKKAT: Hekzan yanıcıdır, sağlık açısından tehlikelidir, tahriş edicidir ve çevreye zarar verir. Uygun havalandırma altında çalışın (yani, şnorkel veya duman davlumbazı).</li>
	<li>Pd gofreti manuel bir silindir kullanarak dijital bir mikrometre tarafından belirlenen ≤150 μm kalınlığa ulaşana kadar yuvarlayın.</li>
	<li>Pd'yi otomatik bir silindir kullanarak dijita...

<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 membran hidrojen geçirgenliği ve kimyasal hidrojenasyon sağlar. Bu nedenle, bu membranın hazırlanması, membran reaktörünün etkinliği için önemlidir. Pd membran boyutu, kristalografisi ve yüzeyi, deneysel sonuçları iyileştirmek için ayarlanmıştır. Pd metali hidrojeni herhangi bir kalınlıkta evrimleştirebilse de, Pd membranları 25 μm'ye kadar yuvarlanır. Membran kalınlığının bu standardizasyonu, hidrojenin membrandan nüfuz etmesi için gereken sürenin tüm deneyler için sabit olmasını...

Termokimyasal hidrojenasyon reaksiyonları, tüm kimyasal sentezlerin ~% 20'sinde kullanılır1. Bu reaksiyonlar, genellikle fosil yakıtlardan, 150 ° C ile 600 ° C arasındaki sıcaklıklardan ve 200atm 2'ye kadar basınçlardan türetilen büyük miktarlardaH2 gazı gerektirir. Elektrokimyasal hidrojenasyon, bu gereksinimleri atlamak ve su ve yenilenebilir elektrik kullanarak hidrojenasyon reaksiyonlarını sürdürmek için çekici bir yoldur3. Geleneksel elektrokimyasal hidrojenasyon için, doymamış bir hammadde, bir elektrokimyasal hücredeki protik bir elektrolit içinde çözülür. Hücreye bir potansiyel uygulandığında, anotta su oksidasyonu meydana gelirken, katotta hidrojenasyon meydana gelir. Bu reaksiyon kurulumunda, hem elektrokimyasal su oksidasyonu hem de kimyasal hidrojenasyon aynı reaksiyon ortamında gerçekleşir. Organik substrat, hem elektrokimyasal suyun ayrılmasını hem de hammaddenin hidrojenasyonunu sağlamak için protik bir elektrolit içinde çözülür. Bu reaksiyonların yakınlığı, reaktan nükleofilik saldırıya duyarlı olduğunda veya reaktans konsantrasyonu çok yüksek olduğunda (>0,25 M)4 yan ürün oluşumuna ve elektrot kirlenmesine neden olabilir.
Bu zorluklar grubumuzu hidrojenasyon reaksiyonlarını elektrokimyasal olarak yönlendirmenin alternatif yollarını araştırmaya yöneltti 5,6,7. Bu araştırma, geleneksel olarak hidrojen gazı ayırma8'de kullanılan bir Pd membranının kullanılmasıyla sonuçlandı. Elektrokimyasal reaktör tarafında su elektrolizi için bir elektrot olarak kullanıyoruz. Bir paladyum membranının bu yeni uygulaması, elektrokimyasal su oksidasyon bölgesinin kimyasal hidrojenasyon bölgesinden fiziksel olarak ayrılmasını sağlar. Ortaya çıkan reaktör konfigürasyonunun iki bölmesi vardır: 1) hidrojen üretimi için bir elektrokimyasal bölme; ve 2) hidrojenasyon için kimyasal bir bölme (Şekil 1). Protonlar, elektrokimyasal bölmede, Pt anot ve aynı zamanda katot görevi gören Pd membranı boyunca bir potansiyel uygulanarak üretilir. Bu protonlar daha sonra Pd membranına göç eder ve burada yüzey adsorbe edilmiş hidrojen atomlarına indirgenirler. Elektrokimyasal bölme, bu proton göçünü kolaylaştırmak için isteğe bağlı bir katyon değişim zarı içerecek şekilde alt bölümlere ayrılabilir. Yüzey adsorbe edilmiş hidrojen atomları, Pd fcc kafes9'un interstisyel oktahedral bölgelerine nüfuz eder ve hidrojenasyon bölmesindeki zarın karşı yüzünde ortaya çıkar ve burada hidrojene ürünler oluşturmak için belirli bir hammaddenin doymamış bağları ile reaksiyona girerler 7,10,11,12,13,14,15,16. Bu nedenle, membran reaktöründeki Pd, (i) hidrojen seçici bir membran, (ii) bir katot ve (iii) hidrojenasyon için bir katalizör görevi görür.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65098/65098fig1v2.jpg"> Resim 1: Bir membran reaktöründe hidrojenasyon. Anottaki su oksidasyonu, paladyum katotu üzerinde indirgenen protonlar üretir. H, Pd membranından nüfuz eder ve propilbenzen oluşturmak için propiofenon ile reaksiyona girer. Hidrojen evrimi, paladyum zarının her iki tarafında da meydana gelebilecek rakip bir reaksiyondur. Atmosferik kütle spektrometresi için, H'nin reaktörü elektrokimyasal veya hidrojenasyon bölmelerindeH2 gazı şeklinde bırakmasını gerektiren hiçbir kimyasal hammadde kullanılmaz. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65098/65098fig1largev2.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Membran reaktörü, bir elektrokimyasal H hücresi12'nin anot ve katot bölmeleri arasına bir Pd membranı sandviç ile monte edilir. Kimyasal maddelere dayanıklı O-ringler, membranı yerine sabitlemek ve sızdırmaz bir sızdırmazlık sağlamak için kullanılır. Membran reaktörünün elektrokimyasal bölmesi, hidrojen bakımından zengin bir sulu çözelti içerir. Bu çalışmada 1 M H2SO4 ve 5cm2 parça platin ağ içine sarılmış bir Pt telinden oluşan bir anot kullanılmıştır. Anot, elektrokimyasal bölmenin üstündeki bir delikten elektrolit çözeltisine batırılır. Kimyasal hidrojenasyon bölmesi bir çözücü ve hidrojenasyon hammaddesi 7,10,11,12,16,17 içerir. H hücresi bölmesinin üstündeki delik, örnekleme için kullanılır. Burada gösterilen deneyler, hidrojenasyon yemi olarak etanolde 0.01 M propiofenon kullanmaktadır. Bununla birlikte, başlangıç materyali (ve konsantrasyonu) deneysel ihtiyaçlara uyacak şekilde değiştirilebilir. Örneğin, uzun bir hidrokarbon zinciri ve bir alkin fonksiyonel grubu içeren bir başlangıç malzemesi, çözünürlüğü artırmak için pentan içinde çözülebilir11. Reaksiyon için uygulanan akım 5 mA/cm2 ile 300 mA/cm2 arasında olabilir. Tüm reaksiyonlar ortam sıcaklığı ve basıncı altında gerçekleştirilir.
Atmosferik kütle spektrometresi (atm-MS), hidrojenasyon bölmesi11,12'ye nüfuz eden elektrokimyasal bölmedeki hidrojen yüzdesini ölçmek için kullanılır. Bu ölçüm, membran reaktörü için gerekli enerji girdilerini anlamak için önemlidir, çünkü mümkün olan maksimum hidrojen kullanımını (yani, üretilen hidrojenin ne kadarının aslında hidrojenasyon reaksiyonları için kullanılabileceğini) ortaya koymaktadır. Pd membranından hidrojen geçirgenliği, hem elektrokimyasal hem de hidrojenasyon bölmelerinden11,12 gelişenH2 miktarı ölçülerek hesaplanır. % 100'lük bir geçirgenlik değeri, elektrokimyasal bölmede üretilen tüm hidrojenin Pd membranından hidrojenasyon bölmesine taşındığı ve daha sonra hidrojen gazı oluşturmak üzere birleştiği anlamına gelir. % <100'lük bir geçirgenlik değeri, membrandan nüfuz etmeden önce elektrokimyasal bölmede hidrojen evriminin meydana geldiği anlamına gelir. H2, elektrokimyasal veya hidrojenasyon bölmesinden üretildiğinden, cihaza girer veH2+'ya iyonize edilir. Kuadrupol, m / z = +2 parçalarını seçer ve karşılık gelen yük dedektör tarafından ölçülür. Bu teknikle elde edilen arsa, zaman içindeki iyonik yüktür. İyonik yük önce hidrojenasyon bölmesi için ölçülür ve sinyal stabilize olduğunda, elektrokimyasal bölmeyi ölçmek için kanallar değiştirilir. Hidrojen geçirgenliği, hidrojenasyon bölmesindeki ortalama iyonik yükün, reaktörde ölçülen toplam iyonik yüke bölünmesiyle hesaplanır (Denklem 1)11,12. Hidrojen geçirgenliğini hesaplamak için, hidrojenasyon ve elektrokimyasal bölmelerden gelenH2, atm-MS kullanılarak ayrı ayrı ölçülür.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65098/65098eq1v2.jpg" style="margin: auto;"> (Ek. 1)
Gaz kromatografisi kütle spektrometresi (GC-MS), hidrojenasyon reaksiyonunun ilerlemesini izlemek için kullanılır12,14,15,16. Örneğin veri toplamak için, reaktörün hidrojenasyon bölmesi etanol içinde 0.01 M propiofenon ile doldurulur. Pt anot ve Pd katot boyunca bir potansiyel uygulanarak, hidrojenasyon bölmesine reaktif hidrojen verilir. Reaktif hidrojen atomları daha sonra doymamış hammaddeyi hidrojene eder ve ürünler, numunenin parçalandığı ve iyonize edildiği GC-MS kullanılarak nicelleştirilir. Bu parçaların kütlesini analiz ederek, hidrojenasyon çözeltisinin bileşimi belirlenebilir ve reaksiyon hızları 12,14,15,16 hesaplanabilir.

<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

Endüstriyel hidrojenasyon yılda ~ 11 Mt fosil kaynaklıH2 gazı tüketir. Grubumuz, hidrojenasyon kimyası içinH2 gazı kullanma ihtiyacını atlamak için bir membran reaktörü icat etti. Membran reaktörü hidrojeni sudan alır ve yenilenebilir elektrik kullanarak reaksiyonları yönlendirir. Bu reaktörde, ince bir Pd parçası, bir elektrokimyasal hidrojen üretim bölmesini kimyasal hidrojenasyon bölmesinden ayırır. Membran reaktöründeki Pd, (i) hidrojen seçici bir membran, (ii) bir katot ve (iii) hidrojenasyon için bir katalizör görevi görür. Burada, bir Pd membran boyunca uygulanan elektrokimyasal önyargının, bir membran reaktöründe doğrudanH2 girişi olmadan verimli hidrojenasyon sağladığını göstermek için atmosferik kütle spektrometresi (atm-MS) ve gaz kromatografisi kütle spektrometresi (GC-MS) kullanımını bildiriyoruz. ATM-MS ile, GC-MS ile ölçüldüğü gibi, propiofenonun propilbenzene% 100 seçicilikle hidrojenlenmesini sağlayan% 73'lük bir hidrojen geçirgenliği ölçtük. Protik elektrolit içinde çözünmüş başlangıç malzemesinin düşük konsantrasyonlarıyla sınırlı olan geleneksel elektrokimyasal hidrojenasyonun aksine, hidrojen üretiminin membran reaktöründe kullanımdan fiziksel olarak ayrılması, herhangi bir çözücüde veya herhangi bir konsantrasyonda hidrojenasyona olanak tanır. Yüksek konsantrasyonların ve çok çeşitli çözücülerin kullanılması, reaktörün ölçeklenebilirliği ve gelecekteki ticarileştirme için özellikle önemlidir.

Atm-MS, membran reaktöründe üretilen hidrojenin iyonik akımını ölçmek için kullanılır. Bu ölçümleri, elektroliz sırasında Pd membranından ne kadar hidrojenin nüfuz ettiğini ölçmek için kullanabiliriz. İlk olarak, hidrojenasyon bölmesinden evrimleşen hidrojen ölçülür (Şekil 3, noktalı çizgilerin solunda). Sinyal sabit bir duruma ulaştığında, kanal elektrokimyasal bölmeye geçirilir. Elektrokimyasal bölmeden evrimleşenH2 gazı daha sonra sinyal...

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

Membran reaktörleri, doğrudanH2 girişi olmadan ortam koşullarında hidrojenasyon sağlar. Bu sistemlerdeki hidrojen üretimini ve kullanımını atmosferik kütle spektrometresi (atm-MS) ve gaz kromatografisi kütle spektrometresi (GC-MS) kullanarak takip edebiliriz.

Bir Membran Reaktöründe Hidrojen Üretimi ve Kullanımı

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 ...

Protokolümüz, elektrokimyasal hidrojen üretimini tek bir reaktörde kimyasal hammadde hidrojenasyonundan izole etmek için bir yöntem açıklamaktadır. İstenilen hidrojenasyon reaksiyonunda kullanılan hidrojen miktarını karakterize edebiliriz. Elektrokimya, hidrojenasyon kimyasından ayrılır.Yan reaksiyon olasılığını azaltır ve bir elektrolit kullanımıyla sınırlı olduğundan daha fazla çözücü ve konsantrasyonla çalışmaya izin verir. Başlamak için, altıgen içine batırılmış pamuklu bezi kullanarak paladyum gofret çubuğunu temizleyin ve dijital sayaç yaklaşık 150 mikrometreyi okuyana kadar manuel bir rulo ile yuvarlayın. Daha sonra kalınlığı 25 mikrometreye düşürmek ve istenen boyutta parçalara ayırmak için otomatik bir silindir kullanın.Tavlama için, haddelenmiş paladyum folyolarını azot atmosferi altında bir kalıp fırınına yükleyin. Sıcaklığı saatte 60 santigrat derece oranında kademeli olarak 25 ila 900 santigrat derece artırarak 1,5 saat boyunca 850 ila 900 santigrat derecede ısıtın. 10 mililitre nitrik asit, 20 mililitre% 30 hidrojen peroksit ve 10 mililitre deiyonize suyu karıştırarak bir temizleme çözeltisi hazırlayın.Tavlanmış paladyum folyolarını, kuvvetli köpürme azalıncaya veya çözelti sararana kadar 20 ila 30 dakika boyunca temizleme çözeltisine batırın. Paladyum folyolarını deiyonize su ile iki kez yıkadıktan sonra, izopropil alkol ile durulayın ve havayla kurulayın. Daha sonra hazırlanan paladyum folyoları kullanarak reaktörü monte edin.Elektrokaplama çözeltisini hazırlamak için, paladyum klorürü bir molar hidroklorik asit içinde çözün. Reaktörün elektrokimyasal bölmesini, hidrojenasyon bölmesini boş bırakarak hazırlanan çözeltinin 24 mililitresi ile doldurun. Elektrokimyasal bölmeye bir platin örgü anot ve gümüş klorür referans elektrodu yerleştirin.Elektrotları bir potansiyostata bağlayın ve 15C yük geçene kadar gümüş klorüre karşı paladyum folyoya 0.2 volt potansiyeli uygulayın. Reaktörü söktükten sonra, elde edilen paladyum zarını iki kez deiyonize su ve bir kez izopropil alkol ile durulayın. Hava veya azotla kurutulduktan sonra, membran yüzeyinde görünür bir siyah paladyum birikimi olup olmadığını kontrol edin.Reaktörü monte etmek için, hazırlanan paladyum zarını bir elektrokimyasal H hücresinin iki yarısı arasına sıkıştırın. Hücrenin sol tarafı ile paladyum membranı arasına kimyasal maddelere dayanıklı bir conta yerleştirin. Hücrenin sağ tarafına ek bir conta yerleştirildikten sonra, reaktör konfigürasyonunu kapatmak için bir klips kullanın.Elektrokimyasal hidrojenasyon için, elektrokimyasal bölmeyi 24 mililitre bir molar sülfürik asit ile doldurun. Elektrokimyasal bölmeye bir platin sayaç elektrodu yerleştirin ve bir güç kaynağının pozitif terminaline bağlayın. Bakır bant kullanarak, paladyum membranını negatif terminale takın.Daha sonra 15 dakika boyunca hücre boyunca 250 miliamperlik bir galvanostatik akım ve 3 ila 5 voltaj uygulayın. Reaksiyon çözeltisinin 30 mikrolitresini örnekledikten sonra, galvanostatik akımı koruyarak kimyasal bölmeye 24 mililitre ekleyin. Mikro pipetle her 15 dakikada bir numune toplayın.GC-MS şişesinde bir mililitre diklorometan içinde çözün ve reaksiyon tamamlanana kadar saklayın. Numuneleri analiz etmek için bunları otomatik numune alma tepsisine yükleyin. Ardından GC-MS yazılımını başlatmak için MassHunter simgesine tıklayın.Sırayı seçin ve ardından dizi düzenleme penceresini açmak için sırayı düzenleyin. Örnek adını, flakon konumunu, yöntem yolunu, yöntem dosyasını, veri yolunu ve veri dosyasını grafiğe doldurun. Numune türünü numune ve seyreltmeyi 1 olarak ayarlayın.Yöntemi ayarlamak için yönteme ve ardından tüm yöntemi düzenleye tıklayın. Hem yöntem bilgilerini hem de cihaz alımını kontrol edin ve OK düğmesine basın. Ayrıca, veri alımını ve veri analizini doğrulayın kontrol edilir. Diğer tüm alanları boş bırakın ve Tamam'ı tıklatın. Numune girişini GC ve enjeksiyon kaynağını GC ALS olarak ayarlayın.MS kullan kutusunun işaretli olduğundan, giriş konumunun öne ayarlandığından, MS'nin öne bağlı olduğundan emin olun ve ardından Tamam'ı tıklatın. Giriş tırnağının altında, ısıtıcı sıcaklığını 250 santigrat dereceye, basıncı inç kare başına 7,2 pound'a ve helyum akışını dakikada 23,1 mililitreye ayarlayın. Fırın tırnağının altında, başlangıç sıcaklığını bir dakika bekleterek 50 santigrat dereceye ayarlayın. Rampa hızını dakikada 25 santigrat dereceye ayarlayın.Sıcaklığı sıfır dakika basılı tutarak 200 santigrat dereceye kadar tutun ve Tamam'a basın. Tüm ekran sinyallerinin seçili olmadığından emin olun ve Tamam'ı tıklatın. Çözücü gecikmesini 2,50 dakika olarak ayarlayın ve Tamam'ı seçin. Monitörün GC fırın sıcaklığını, GC giriş F sıcaklığını, GC giriş F basıncını, GC sütun 2 akış kalsini, MS EM voltlarını, MS MS kaynağını, MS MS dörtlüsünü içerdiğinden emin olun ve Tamam'a tıklayın. Yöntemi kaydetmek için istediğiniz yöntem adını girin. Sıranın ardından çalıştırma sırasına tıklayın ve ardından örnek analizi başlatmak için çalıştırma sırasını seçin. Dizi tamamlandıktan sonra, MassHunter yazılımını açın ve verileri görüntülemek için dosya adını seçin.Ürün piklerini belirlemek için spektrumu, ardından kitaplık arama raporunu ve alınan kütle spektrumlarını NIST veritabanıyla karşılaştırmak için Tamam'ı tıklatın. Denklemi kullanarak başlangıç malzemelerinin ve ürünlerinin göreceli bileşimini hesaplayın. Atmosferik kütle spektrometrisi, hidrojenasyon bölmesinde üretilen hidrojeni ve membran reaktöründeki elektrokimyasal bir bölmeyi ölçtü.Paladyum membranı, hidrojenasyon bölmesinde 27 pikoamper ve elektrokimyasal bölmede 10 ortalama iyonik akım ile% 73 hidrojene nüfuz etti. Buna karşılık, başka bir membran hidrojene %1'den az nüfuz gösterdi. Elektrokimyasal bir önyargı altında hidrojenasyonun GC-MS'si, propiyofenon zirvesi azalırken, propiyofenon zirvesi azalırken, reaksiyon ilerledikçe başlangıç malzemesi propiofenonunun keskin bir zirvesini gösterdi.Buna karşılık, paladyum membranı elektrokimyasal olarak önyargılı olmadığında propiofenon ürüne dönüştürülmedi. Bununla birlikte, kromatogram, bir safsızlığa atfedilen beklenmedik bir tepe noktası gösterdi. Elektrokimyasal olarak önyargılı bir paladyum membran altında, hidrojenasyon reaksiyonunun kinetik profili, başlangıç malzemesi ve ürünlerindeki bileşim değişikliğini göstermiştir.Buna karşılık, paladyum membranı elektrokimyasal olarak önyargılı olmadığında, ürün oluşturulmadığı için başlangıç malzemesi bileşimi değiştirilmedi. Bölmeler arasındaki sızıntıyı önlemek için reaktörü monte etmek önemlidir. GC-MS'den kaliteli veriler elde etmek için reaksiyonu mikro pipet gibi hassas bir cihazla örnekleyin.Reaksiyon ürünlerinin kimyasal yapısını doğrulamak için H NMR gibi ek karakterizasyon yöntemleri uygulanabilir.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

Hidrojen Değişim Kütle Spektrometre Kullanarak Protein Dinamiği Analizi

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

İnce tabaka kromatografi (TLC) Ayırımı ve bitki özleri Biyodenemeler Antimikrobiyal Bileşikler tanımak

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

Reaktif Gözenekli Malzemelerin Saflaştırılması Süperkritik Azot İşleme

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

Sentezi ve diskotik Zirkonyum Fosfatların Eksfoliasyon Kolloidal Sıvı Kristaller Edinme

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

Alkali hidrojen peroksit sistemi kontrollü salımlı Alkali kaynağınca desteklenen Rami lif çıkarımı

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

Metalik nano tanecikleri tam kontrollü birikimi için sürekli akış Fotokatalitik reaktör

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

Düşük sıcaklık mikrodalga destekli hidrotermal karbonizasyon ile Willow Wood yakıt emisyonu azaltılması

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 Hazırlık UO2 ifade doğru akım fışkırtması ve art arda gelen oksidasyon ve Redüksiyon atomik oksijen ve Atomik hidrojen ile üzerinden

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

Mikroyerçekimi Ortamında Verimli Güneş HidrojenI Üretimi Için Deneysel Yöntemler

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 İzleyicilerin Üretimi için Katı Faz 11C-Metilasyon, Arıtma ve Formülasyon

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