Summary
Мембранные реакторы обеспечивают гидрирование в условиях окружающей среды без прямого ввода H2 . Мы можем отслеживать производство и использование водорода в этих системах с помощью атмосферной масс-спектрометрии (атм-МС) и газовой хроматографии (ГХ-МС).
Abstract
Промышленное гидрирование потребляет ~ 11 млн тонн ископаемого газаH2 в год. Наша группа изобрела мембранный реактор, чтобы избежать необходимости использования газа H2 для химии гидрирования. Мембранный реактор получает водород из воды и управляет реакциями с использованием возобновляемой электроэнергии. В этом реакторе тонкий кусочек Pd отделяет отсек для производства электрохимического водорода от отсека химического гидрирования. Pd в мембранном реакторе действует как (i) водородоселективная мембрана, (ii) катод и (iii) катализатор гидрирования. Здесь мы сообщаем об использовании атмосферной масс-спектрометрии (атм-МС) и масс-спектрометрии газовой хроматографии (ГХ-МС), чтобы продемонстрировать, что приложенное электрохимическое смещение через мембрану Pd обеспечивает эффективное гидрирование без прямого ввода H2 в мембранный реактор. С помощью атм-МС мы измерили проникновение водорода 73%, что позволило гидрировать пропиофенон до пропилбензола со 100% селективностью, измеренной с помощью ГХ-МС. В отличие от обычного электрохимического гидрирования, которое ограничено низкими концентрациями исходного материала, растворенного в протонном электролите, физическое отделение производства водорода от использования в мембранном реакторе позволяет гидрировать в любом растворителе или в любой концентрации. Использование высоких концентраций и широкого спектра растворителей особенно важно для масштабируемости реактора и будущей коммерциализации.
Introduction
Реакции термохимического гидрирования используются в ~ 20% всего химического синтеза1. Эти реакции требуют больших количеств газа H 2, который обычно получают из ископаемого топлива, температур от 150 ° C до 600 ° C и давления до 200 атм2 . Электрохимическое гидрирование является привлекательным способом обойти эти требования и управлять реакциями гидрирования с использованием воды и возобновляемой электроэнергии3. При обычном электрохимическом гидрировании ненасыщенное сырье растворяют в протонном электролите в электрохимической ячейке. Когда потенциал приложен к ячейке, окисление воды происходит на аноде, а гидрирование происходит на катоде. В этой реакционной установке и электрохимическое окисление воды, и химическое гидрирование происходят в одной и той же реакционной среде. Органический субстрат растворяют в протонном электролите, чтобы обеспечить как электрохимическое расщепление воды, так и гидрирование исходного сырья. Близость этих реакций может привести к образованию побочных продуктов и загрязнению электродов, когда реагент подвержен нуклеофильной атаке или если концентрация реагента слишком высока (>0,25 М)4.
Эти проблемы побудили нашу группу изучить альтернативные способы электрохимического управления реакциями гидрирования 5,6,7. Этот поиск привел к использованию мембраны Pd, которая обычно используется при разделении газообразного водорода8. Мы используем его в качестве электрода для электролиза воды на стороне электрохимического реактора. Это новое применение палладиевой мембраны позволяет физически отделить место электрохимического окисления воды от места химического гидрирования. Полученная конфигурация реактора имеет два отсека: 1) электрохимический отсек для производства водорода; и 2) химический отсек для гидрирования (рис. 1). Протоны генерируются в электрохимическом отсеке путем приложения потенциала через анод Pt и мембрану Pd, которая также служит катодом. Затем эти протоны мигрируют в мембрану Pd, где они восстанавливаются до адсорбированных на поверхности атомов водорода. Электрохимический отсек может быть разделен на части, чтобы включить дополнительную катионообменную мембрану для облегчения этой миграции протонов. Адсорбированные на поверхности атомы водорода проникают через интерстициальные октаэдрические участки решеткиPd FCC 9 и выходят на противоположную сторону мембраны в отсеке гидрирования, где они реагируют с ненасыщенными связями данного сырья с образованием гидрированных продуктов 7,10,11,12,13,14,15,16. Таким образом, Pd в мембранном реакторе действует как (i) водородоселективная мембрана, (ii) катод и (iii) катализатор гидрирования.
Рисунок 1: Гидрирование в мембранном реакторе. Окисление воды на аноде приводит к образованию протонов, которые восстанавливаются на палладиевом катоде. H проникает через мембрану Pd и реагирует с пропиофеноном с образованием пропилбензола. Эволюция водорода — это конкурирующая реакция, которая может происходить по обе стороны палладиевой мембраны. Для атмосферной масс-спектрометрии химическое сырье не используется, что требует выхода H из реактора в виде газа H2 либо в электрохимическом отсеке, либо в гидригенном отсеке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Мембранный реактор собран путем размещения мембраны Pd между анодным и катодным отсеками электрохимического H-элемента12. Химически стойкие уплотнительные кольца используются для закрепления мембраны на месте и обеспечения герметичности. Электрохимический отсек мембранного реактора содержит богатый водородом водный раствор. В этом исследовании мы используем 1 M H 2 SO4 и анод, состоящий из проволоки Pt, обернутой куском платиновой сетки размером5 см2. Анод погружается в раствор электролита через отверстие в верхней части электрохимического отсека. Отделение химического гидрирования содержит растворитель и гидрирующее сырье 7,10,11,12,16,17. Отверстие в верхней части отсека H-ячейки используется для отбора проб. В приведенных здесь экспериментах в качестве сырья для гидрирования используется 0,01 М пропиофенона в этаноле. Однако исходный материал (и концентрация) можно варьировать в соответствии с экспериментальными потребностями. Например, исходный материал, который содержит длинную углеводородную цепь и алкиновую функциональную группу, может быть растворен в пентане для улучшения растворимости11. Приложенный ток для реакции может составлять от 5 мА/см2 до 300 мА/см2. Все реакции проводятся при температуре и давлении окружающей среды.
Атмосферная масс-спектрометрия (атм-МС) используется для измерения процентного содержания водорода в электрохимическом отсеке, проникающем в гидрогенизационный отсек11,12. Это измерение важно для понимания затрат энергии, необходимых для мембранного реактора, поскольку оно показывает максимально возможное использование водорода (т. е. сколько производимого водорода фактически может быть использовано для реакций гидрирования). Проникновение водорода через мембрану Pd рассчитывается путем измерения количества H2, выделяющегося как из электрохимического, так и из гидринового отсеков11,12. Значение проникновения, равное 100%, означает, что весь водород, образующийся в электрохимическом отсеке, транспортируется через мембрану Pd в отсек гидрирования, а затем впоследствии объединяется с образованием газообразного водорода. Значение проникновения <100% означает, что выделение водорода происходит в электрохимическом отсеке до проникновения через мембрану. Поскольку H2 производится либо из электрохимического, либо из гидригенизационного отсека, он поступает в прибор и ионизируется до H2+. Квадруполь отбирает фрагменты m/z = +2, и детектор измеряет соответствующий заряд. График, полученный с помощью этого метода, представляет собой ионный заряд во времени. Сначала измеряется ионный заряд для гидрогенизационного отсека, а когда сигнал стабилизируется, каналы меняются для измерения электрохимического компартмента. Проникновение водорода рассчитывается путем деления среднего ионного заряда в гидрогенизационном отсеке на общий ионный заряд, измеренный в реакторе (уравнение 1)11,12. Для расчета проницаемости водорода H2 из гидренного и электрохимического отсеков измеряют отдельно с помощью атм-МС.
(Уравнение 1)
Газовая хроматографическая масс-спектрометрия (ГХ-МС) используется для контроля хода реакции гидрирования12,14,15,16. Для сбора данных для примера отсек гидрирования реактора заполнен 0,01 М пропиофенона в этаноле. При приложении потенциала к аноду Pt и катоду Pd химически активный водород подается в отсек гидрирования. Затем химически активные атомы водорода гидрируют ненасыщенное сырье, а продукты количественно определяют с помощью ГХ-МС, где образец фрагментируется и ионизируется. Анализируя массу этих фрагментов, можно определить состав раствора гидрирования и рассчитать скорости реакции12,14,15,16.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Прокатка Pd
- Очистите вафельный стержень Pd смесью гексанов с помощью хлопчатобумажной ткани.
ВНИМАНИЕ: Гексан легко воспламеняется, опасен для здоровья, раздражает и наносит вред окружающей среде. Работайте под надлежащей вентиляцией (например, трубкой или вытяжным шкафом). - Прокатывайте пластину Pd с помощью ручного валика до достижения толщины ≤150 мкм, определяемой цифровым микрометром.
- Раскатайте Pd с помощью автоматического валика до толщины 25 мкм, определяемой цифровым микрометром. Затем разрежьте полученный Pd до желаемых размеров (например, 3,5 см x 3,5 см).
2. Отжиг Pd
- Загрузите свернутую фольгу Pd в муфельную печь с атмосферой N2 .
- Нагрейте фольгу Pd, начиная с 25 °C, и увеличьте температуру до 850 °C со скоростью 60 °C / ч. Подержите температуру 850 °C в течение 1,5 часа, а затем охладите духовку до комнатной температуры со скоростью 60 °C/ч.
3. Очистка Pd
- Приготовьте чистящий раствор, смешав 10 мл азотной кислоты, 20 мл 30% (об. / об.) перекиси водорода и 10 мл деионизированной воды.
ВНИМАНИЕ: Азотная кислота вызывает коррозию, является окислителем и токсична. Перекись водорода вызывает коррозию, является окислителем и вредна. - Погрузите отожженную фольгу Pd в чистящий раствор до тех пор, пока не утихнет энергичное пузырение или раствор не пожелтеет (20-30 мин).
- Дважды промойте фольгу Pd газоионной водой и один раз изопропиловым спиртом, а затем высушите на воздухе.
4. Реактор в сборе (рис. 2, слева направо)
- Соберите реактор, поместив мембрану Pd между двумя половинами электрохимического H-элемента.
- Поместите химически стойкую прокладку между левой стороной ячейки и мембраной Pd.
- Поместите дополнительную химически стойкую прокладку между мембраной Pd и правой стороной электрохимической ячейки.
- Запечатайте полученную конфигурацию ячеек зажимом.
Рисунок 2: Изображение сборки H-ячейки. Электрохимический отсек содержит 1 М H2SO4 электролита; Здесь происходит окисление воды. Палладиевая мембрана разделяет две половины H-ячейки, а прокладки обеспечивают герметичное уплотнение. Гидрогенизационный отсек содержит 0,01 М пропиофенона в этаноле (EtOH). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
5. Электроосаждение Pd
- Приготовьте гальванический раствор, растворив PdCl2 в 1 М HCl до концентрации 15,9 мМ.
ВНИМАНИЕ: PdCl2 вреден и вызывает коррозию. HCl вызывает коррозию и раздражает. - Соберите реактор, используя чистую фольгу Pd из шага 3.
- Заполните электрохимический отсек реактора 24 мл приготовленного гальванического раствора, а блок гидрирования оставьте пустым.
- Поместите сетчатый анод Pt и электрод сравнения Ag / AgCl в раствор в электрохимическом отсеке.
- Подключите электроды к потенциостату и приложите к фольге Pd потенциал -0,2 В по сравнению с Ag/AgCl до тех пор, пока не пройдет заряд 15 ° C.
- Разберите реактор, дважды промойте полученную мембрану Pd деионизированной водой и один раз изопропиловым спиртом, а затем высушите мембрану под струей воздуха или N2. Мембрана Pd теперь будет иметь видимое осаждение черного Pd на поверхности, которая была подвергнута воздействию гальванического раствора.
6. Установка реактора АТМ-МС
- Соберите реактор, как указано на шаге 4. Заполните электрохимический отсек 1 M H2SO4, а блок гидрирования заполните этанолом. Не добавляйте гидрогенизирующее сырье.
ВНИМАНИЕ: H2SO4 вреден и вызывает коррозию. Этанол легковоспламеняющийся, вредный и опасный для здоровья. - Погрузите противоэлектрод Pt в электролит. Подключите счетчик Pt и мембрану Pd к источнику питания с помощью зажимов типа «крокодил». Соедините встречный электрод Pt в качестве положительного электрода и мембрану Pd в качестве отрицательного электрода.
- Применяют постоянный ток 25 мА.
7. Настройка прибора Атм-МС
- Включите выключатель питания на задней панели устройства ATM-MS, чуть ниже шнура питания.
- Нажмите кнопку насоса на передней панели, чтобы включить насос (при включении он загорится синим цветом). Затем включите куртку для выпечки (зеленый круглый переключатель, загорится свет).
- Включите капиллярный канал, который будет использоваться (красные круглые переключатели рядом с каналами, загорится свет). Убедитесь, что используемый канал включен, почувствовав, как нагревается трубка.
ПРИМЕЧАНИЕ: Зеленый светодиод рядом с надписью «vac ok» загорится через несколько минут после включения насоса. Чтобы выключить систему после окончания экспериментов, выключите все включенные переключатели. - Подключите выходное отверстие ячейки гидрирования к капиллярам АТМ-МС. Это соединение должно быть герметичным.
8. Настройка программного обеспечения Атм-МС
- Нажмите на ярлык «Служба » на рабочем столе. Перейдите в раздел Настройка | SEM/Emission Control и установите флажки как для SEM, так и для выбросов. Нажмите кнопку ОК. Закройте окно службы.
- Нажмите на ярлык « Измерить » и перейдите в «Последовательность» | Выполнить.
- Заполните следующие параметры: Измерения = 30, Время продувки = 30 с. Нажмите «Файловый менеджер» и создайте папку для сохранения выходных данных. Эти настройки будут выполнять 30 измерений с временем продувки 30 с между каждым набором измерений; При необходимости это можно изменить.
- После этого откроется файл измерений MID. Выберите «Управление файлами» и откройте программу для измерения сигнала масс-спектрометрии для m/z = 2. Этот сигнал соответствует ионному току от H2+, ионизированной формы газообразного водорода.
- Нажмите OK , чтобы запустить программу. Не закрывайте окно измерения, так как это остановит работу прибора.
- После стабилизации сигнала (1-3 ч) отсоедините капилляр АТМ-МС от отсека гидрирования и подключите его к электрохимическому отсеку.
- Сохраните данные и завершите эксперимент, когда сигнал для электрохимического отсека стабилизируется (около 30 минут).
- Рассчитайте процент проникновения водорода через мембрану Pd, используя уравнение 1.
9. Электрохимическое гидрирование
- Соберите реактор в соответствии с шагом 4.
- Заполните электрохимический отсек 24 мл 1 МH 2SO4.
- Вставьте противоэлектрод Pt в электрохимический отсек через отверстие противоэлектрода. Подсоедините противоэлектрод Pt к положительной клемме источника питания и подключите мембрану Pd к отрицательной клемме через ленту Cu.
- Приложите гальваностатический ток 25 мА (соответствует 40 мА/см2) к ячейке в течение 15 мин. Напряжение будет находиться в диапазоне от 3 В до 5 В.
- По прошествии 15 мин заполните химический отсек 24 мл реакционного раствора (например, 0,01 М пропиофенона в этаноле). Поддерживайте гальваностатический ток во время добавления реагента.
ПРИМЕЧАНИЕ: Перед добавлением в реактор пробы исходного реакционного раствора отбирают. Смотрите шаг 9.6.
ВНИМАНИЕ: Пропиофенон вреден. - Периодически (например, каждые 15 минут) отбирают пробы из химического отсека, беря 30 мкл реакционного раствора из химического отсека с помощью микропипетки и растворяя образец в 1 мл дихлорметана. Храните образцы во флаконах с ГХ-МС до завершения реакции.
ВНИМАНИЕ: Дихлорметан вреден и опасен для здоровья.
10. Газовая хромато-масс-спектрометрия
- Загрузите флаконы с образцом в лоток для автоматического отбора проб.
- Запустите программное обеспечение GC-MS, щелкнув зеленый значок Masshunter .
- Нажмите на Последовательность | Редактировать последовательность , чтобы открыть окно редактирования последовательности. Введите в диаграмму желаемые имена образцов, флакон (положение в лотке для автовыборки), путь к методу, файл метода, путь к данным и файл данных. Задайте для типа образца значение "sample" и разбавление значение 1 и убедитесь, что файл данных соответствует имени образца.
- Настройте метод, нажав «Метод» | Отредактируйте весь метод.
- Убедитесь, что отмечены как информация о методе , так и получение прибора . Нажмите на кнопку ОК. Добавьте комментарии к методу (при желании).
- Убедитесь, что сбор данных и анализ данных проверены. Оставьте все остальные поля пустыми. Нажмите на кнопку ОК.
- Убедитесь, что на входе для образца установлено значение GC , а для источника впрыска — значение GC ALS. Установите флажок «Использовать MS ». Убедитесь, что для входа установлено значение Front , а MS подключен к Front. Нажмите на кнопку ОК.
- На вкладке «Вход » убедитесь, что температура нагревателя установлена на 250 °C. Установите давление 7,2 фунта на квадратный дюйм и расход He на 23,1 мл / мин.
- На вкладке «Духовка » установите начальную температуру 50 °C и удерживайте в течение 1 минуты. Затем установите скорость нарастания на 25 ° C / мин, а температуру на 200 ° C и удерживайте в течение 0 мин. Нажмите на кнопку ОК.
- Убедитесь, что ни один из сигналов дисплея не отмечен. Нажмите на кнопку ОК.
- Установите задержку растворителя на 2,50 мин. Нажмите на кнопку ОК.
- Убедитесь, что выбранные мониторы включают следующее: температура печи ГХ, температура F на входе ГХ, давление F на входе ГХ, калькация расхода колонны 2 ГХ, ЭМ-вольты МС, источник МС МС, четырехъядерный МС МС. Нажмите на кнопку ОК.
- Сохраните метод под нужным именем метода.
- Запустите последовательность, нажав « Последовательность» | Последовательность запуска | Запустите последовательность.
- Когда последовательность будет завершена, просмотрите данные, открыв программное обеспечение Masshunter и щелкнув имя файла, которое было запрограммировано на шаге 10.3.
- Определите пики продукта, нажав на Spectrum | Отчет о поиске в библиотеке для сравнения полученных масс-спектров с базой данных NIST.
- Рассчитайте относительный состав исходных материалов и продуктов с помощью уравнения 2.
(Уравнение 2)
где A - химический компонент, представляющий интерес, а n - количество компонентов, измеренное с помощью ГХ-МС. Пример выглядит следующим образом:
(Уравнение 2)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
АТМ-МС используется для измерения ионного тока водорода, который образуется в мембранном реакторе. Мы можем использовать эти измерения для количественной оценки того, сколько водорода проникает через мембрану Pd во время электролиза. Во-первых, измеряется водород, выделяющийся из гидрогенизационного отсека (рис. 3, слева от пунктирных линий). Когда сигнал достигает установившегося состояния, канал переключается в электрохимический отсек. Затем измеряется газ H2 , выходящий из электрохимического отсека, до тех пор, пока сигнал не станет стабильным (рис. 3, правая сторона пунктирной линии). Общее проникновение водорода рассчитывается из среднего тока на стороне гидрирования, деленного на общий средний ток (электрохимические + гидрирующие отсеки, уравнение 1). На рисунке 3А показано 73% проникновения водорода. Средний ионный ток 27 пА был измерен в отсеке гидрирования, в то время как электрохимический отсек имел средний ток 10 пА. Напротив, на рисунке 3B показана мембрана, которая очень плохо проникает через водород; Его водородопроницаемость составляла менее 1%.
Рисунок 3: Репрезентативные данные атмосферно-масс-спектрометрии. На графиках показан ионный ток, соответствующий m/z = 2, по сравнению с числом цикла, где один цикл равен 5 с. Для обоих наборов данных левая часть графика (как показано стрелкой влево от пунктирной линии) представляет собой ток водорода, выделяющийся из электрохимического отсека. Правая часть графиков (как показано стрелкой вправо от пунктирной линии) представляет сигнал водорода, поступающий из отсека гидрирования. (A) Данные о проникновении водорода для мембраны Pd, где ~ 70% водорода выделяется в отсек гидрирования. (B) Данные о проникновении водорода для мембраны, в которой <1% водорода выделяется в отсек гидрирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
ГХ-МС позволяет идентифицировать и количественно определять частицы, присутствующие в реакциях гидрирования. На рисунке 4 мы показываем два примера репрезентативных результатов экспериментов по гидрированию. На рисунке 4A,C,E представлен сценарий, в котором мембрана Pd находится под электрохимическим смещением (и, следовательно, действует как катод). На рисунке 4B, D, F представлен сценарий, в котором мембрана Pd не находится под электрохимическим смещением, а отдельный катод Pd (той же площади поверхности) замыкает электрохимическую цепь. В первом примере (рис. 4C) наблюдался резкий пик при времени удержания (RT) 5,6 мин. Этот пик соответствует исходному материалу, пропиофенону (РР). По мере развития реакции начали формироваться пики при RT 5,5 мин и RT 4,2 мин, в то время как пик PP уменьшался. Эти образующие пики представляют собой 1-фенил-1-пропанол (ПА) и пропилбензол (ПБ) соответственно. В этом примере мы могли бы достичь 100% селективности по отношению к ПБ. Во втором примере (рис. 4D) пик PP не уменьшался с течением времени, и пики продукта не возникали. Более того, эта хроматограмма показала неожиданный пик при RT 2,9 мин, что было связано с примесью.
Рисунок 4: Репрезентативные результаты для ГХ-МС. Эти результаты показывают гидрирование пропиофенона (ПП) до 1-фенил-1-пропанола (ПА) до пропилбензола (ПБ). Условные обозначения: PP - оранжевый, PA - серый, а PB - синий. (A) Схема эксперимента по гидрированию, в котором к мембране Pd применялось электрохимическое смещение. (B) Схема экспериментальной установки гидрирования, в которой не было электрохимического смещения на мембране Pd. (C) Результаты ГХ-МС для 4-часового эксперимента по гидрированию, в котором к мембране Pd применялось электрохимическое смещение. (D) Результаты ГХ-МС для 4-часового эксперимента по гидрированию, в котором электрохимическое смещение не применялось к мембране Pd. (E) Кинетический профиль раствора гидрирования с течением времени во время реакции гидрирования, в которой к мембране Pd применялось электрохимическое смещение. (F) Кинетический профиль раствора гидрирования во времени во время реакции гидрирования, когда к мембране Pd не применялось электрохимическое смещение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Мембрана Pd обеспечивает проникновение водорода и химическое гидрирование. Таким образом, подготовка этой мембраны важна для эффективности мембранного реактора. Размер мембраны Pd, кристаллография и поверхность настроены для улучшения экспериментальных результатов. Хотя металл Pd может выделять водород любой толщины, мембраны Pd прокатываются до 25 мкм. Эта стандартизация толщины мембраны гарантирует, что время, необходимое для проникновения водорода через мембрану, является постоянным для всех экспериментов. Причем, чем тоньше мембрана, тем более она подвержена образованию точечных отверстий. Мембраны Pd разрезаются на 30-40% больше, чем размеры прокладки, используемой для ее удержания на месте. При многократном использовании мембрана Pd поддается водородному охрупчиванию путем защемления или разрыва. Это явление приводит к сморщиванию мембраны и уменьшению геометрической поверхности мембраны. Pd, используемый для мембран, должен быть отожжен после того, как он подготовлен до желаемых размеров. Этот шаг направлен на уменьшение кристаллических дефектов, что приводит к лучшему транспорту водорода через мембрану. Поверхность мембраны Pd настроена для усиления каталитической активности. Электроосаждение сажи Pd позволяет увеличить площадькаталитической поверхности 11 в 250 раз. Это увеличение площади поверхности позволяет реакциям гидрирования происходить в течение нескольких часов, а не дней. После того, как мембрана Pd была использована для пяти реакций гидрирования, она должна быть повторно очищена и повторно электроосаждена. Этот цикл можно повторять до тех пор, пока мембрана не проявит признаки необратимого повреждения (точечные отверстия, трещины или низкая/отсутствующая активность гидрирования).
Если мембранный реактор не собран с должным уходом, может возникнуть несколько проблем. Проблемы, которые возникают, - это дырявые клетки и проколотые мембраны Pd. Чтобы предотвратить утечку и повреждение мембраны, мембрана Pd зажата между двумя прокладками. Когда ячейка затягивается, прокладки мягко прижимаются к обеим сторонам мембраны Pd, чтобы жидкость не могла выйти по краям. Прокладки также предотвращают прямой контакт клеточных стенок с мембраной Pd и снижают вероятность физического повреждения.
Успех реакции гидрирования в мембранном реакторе зависит от множества факторов. Двумя основными соображениями являются доступность водорода и его реакционная способность. Доступность водорода зависит, помимо прочего, от плотности тока, катализаторов гидрирования и растворителей. Плотность тока напрямую связана с количеством протонов, уменьшенных на электрохимической стороне мембраны Pd, где более высокая плотность тока приводит к большему производству водорода. Однако это не всегда коррелирует с количеством водорода, появляющегося в гидрогенизационном отсеке. Эволюция H2 представляет собой конкурирующую реакцию, которая может происходить как на стороне электрохимического, так и на химическом гидрировании мембраны Pd. Эта реакция происходит, когда два атома водорода рекомбинируют и десорбируют с поверхности мембраны Pd в виде газа H2 . Чтобы свести к минимуму количество потерь водорода в результате этого процесса, необходимо использовать соответствующие катализаторы и растворители, чтобы максимизировать доступность водорода в отсеке гидрирования. Черный Pd представляет собой катализатор, который электронаносится на сторону гидрирования фольги Pd и увеличивает скорость гидрирования. Электроосаждение Pd выглядит черным, и это указывает на большую площадь поверхности. Если осаждение Pd имеет серый цвет, это означает, что катализатор был плохо осажден, что может быть причиной низких скоростей гидрирования или плохого выхода продуктов гидрирования. Чтобы выбрать подходящий и эффективный растворитель, растворитель должен быть в состоянии координировать свои действия с химически активным атомом водорода, чтобы предотвратить рекомбинацию H-H, но он не может чрезмерно координироваться, чтобы растворитель препятствовал попаданию ненасыщенных молекул в химически активный водород. Чтобы устранить неполадки с медленными скоростями гидрирования, следует попробовать увеличить плотность тока, проверить успешное осаждение из черного Pd и/или использовать другой растворитель.
Atm-MS позволяет количественно определять количество газов при очень низких пределах обнаружения. Масс-спектрометр ионизирует газообразные образцы, а затем отделяет и количественно определяет фрагменты с помощью квадруполя. Газообразный водород количественно определяется путем выборочного построения отношения m/z, равного 2. Это соотношение представляет собой фрагмент H2+, где масса равна 2 а.е.м., а заряд равен +1. Поэтому АТМ-МС измеряет ионный ток, соответствующий ионизированному водороду. Каждая сторона мембранного реактора должна иметь только одно отверстие, которое может быть подключено к каналу АТМ-МС. Важно, чтобы не было утечек газа, чтобы гарантировать, что весь образующийся газ измеряется прибором. Чтобы обеспечить измерение всего электрохимически образованного H2, очень важно, чтобы во время сборки реактора отсек гидрирования был заполнен только выбранным насыщенным растворителем, а также чтобы не присутствовал ненасыщенный субстрат. Если водород вступает в реакцию с субстратом в отсеке гидрирования, то этот водород не будет измеряться атм-МС, и проникновение будет занижено. Когда мембранный реактор впервые подключается к АТМ-МС и к мембранному реактору прикладывается потенциал, для стабилизации ионного тока H2+ требуется несколько часов. Лучше всего сначала подключить отсек гидрирования к атм-МС, а затем изменить соединение с электрохимическим отсеком. Это связано с тем, что для уравновешивания газа H 2, выделяющегося в гидрогенизационном отсеке, требуется больше времени, чем для уравновешивания газа H2 из электрохимического отсека.
Мембранный реактор был разработан для проведения реакций гидрирования в условиях окружающей среды с использованием только электричества и воды. Ход этих реакций гидрирования можно контролировать с помощью ГХ-МС. На рисунке 4 изображены результирующие хроматограммы и кинетические профили гидрирования пропиофенона в мембранном реакторе с электрохимическим смещением (рис. 4A, C, E) и без электрохимического смещения (рис. 4B, D, F). Когда мембрана Pd находится под электрохимическим смещением (рис. 4A), атомы водорода восстанавливаются в электрохимическом отсеке и проникают через мембрану Pd 7,10,12. Водород поступает в камеру гидрирования с эффективным давлением, пропорциональным приложенному потенциалу18. Ненасыщенные связи в гидригенном отсеке затем вступают в реакцию с этим водородом с образованием насыщенных продуктов. Ход реакции можно контролировать, отбирая периодические пробы и анализируя их с помощью ГХ-МС. Типичная хроматограмма (рис. 4C) будет иметь только один пик, который соответствует выбранному исходному материалу при T = 0. По мере протекания реакции пик исходного материала будет терять интенсивность, в то время как пики, соответствующие гидрированным продуктам, будут образовываться и увеличиваться по интенсивности. Затем пиковые интенсивности в разные моменты времени можно превратить в кинетический график (рис. 4E), вычислив относительные составы с помощью уравнения 2. Для назначения пиков продукта можно использовать два метода: 1) поиск и сопоставление базы данных; и/или 2) сравнение со стандартным решением. Первый метод включает сравнение измеренных соотношений m/z (измеренных MS) с базой данных стандартных масс-спектров (например, Национального института стандартов и технологий) для поиска наилучшего соответствия. Этот метод обычно встроен в программное обеспечение GC-MS и может выполняться автоматически. Второй метод включает в себя запуск стандартных растворов всех ожидаемых продуктов гидрирования и запись времени удержания каждого из них. В идеале для подтверждения экспериментальных результатов используются оба метода. Если на хроматограмме GC возникает неожиданный пик (рис. 4D), это, вероятно, связано с загрязнением или образованием побочных продуктов. Когда мембрана Pd не находится под электрохимическим смещением (рис. 4B), реакция гидрирования отсутствует. Результирующая хроматограмма не отображает пики продукта с течением времени (рис. 4D). Аналогичный результат может возникнуть, если каталитические свойства мембраны Pd не настроены для конкретного химического гидрирования или если приложенный потенциал мембраны Pd слишком низок. Чтобы устранить эту ситуацию, различные вторичные катализаторы могут быть нанесены поверх электроосажденного слоя Pd 19 или на мембрануPd может быть приложен больший потенциал.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Патентные заявки, основанные на технологии, описанной в этой работе, были поданы и опубликованы: Berlinguette, C.P.; Шербо, Р. С. «Способы и аппаратура для проведения химических и электрохимических реакций», заявка на патент США No 16964944 (РСТ подана в январе 2019 г., национальная заявка в июле 2020 г.), публикация No US20210040017A1 (опубликована в феврале 2021 г.). Заявка на патент Канады No 3089508 (РСТ подана в январе 2019 г., национальная заявка в июле 2020 г.), публикация No CA3089508 (опубликована в августе 2019 г.). Приоритетные данные: Предварительная заявка на патент США No 62/622,305 (подана в январе 2018 года).
Acknowledgments
Мы благодарны Канадскому совету по естественным наукам и инженерным исследованиям (RGPIN-2018-06748), Канадскому фонду инноваций (229288), Канадскому институту перспективных исследований (BSE-BERL-162173) и канадским исследовательским кафедрам за финансовую поддержку. Это исследование было предпринято отчасти благодаря финансированию со стороны Канадского фонда передового опыта в области исследований, Программы квантовых материалов и технологий будущего. Мы благодарим Бена Херринга из UBC Shared Instrument Facility за помощь в разработке инструмента и метода ГХ-МС. Мы благодарим д-ра Монику Столар за вклад в разработку и редактирование этой рукописи. Наконец, мы благодарим всю группу Berlinguette в Университете Британской Колумбии за их постоянную поддержку и сотрудничество в изучении мембранного реактора.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ag/AgCl Reference Electrode | BASi research products | MW-2021 | Reference electrode |
| Analytical Balance | Cole-Parmer | RK-11219-03 | Instrument |
| Atmospheric Mass Spectrometer | ESS CatalySys | NA | Instrument |
| Bench Power Supply | Newark | 1550 | Instrument |
| Conductive Copper Foil Electrical Tape | McMaster Carr | 76555A711 | Electrochemical cell assembly |
| Dichloromethane | Sigma Aldrich | 270997 | Reagent |
| Electric Rolling Press with Dual Micrometer | MTI Corporation | MR100A | Equipment |
| Electrochemical glass H-cell | University of British Columbia glass blowing | NA | Electrochemical cell assembly |
| ESS catalysis QUADSTAR | ESS CatalySys | NA | Software |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 493511 | Reagent |
| Flat Rolling Mill | Pepetolls | 18700A | Equipment |
| Gas Chromatography Mass Spectrometer | Agilent | NA | Instrument |
| GC-MS vial | Agilent | 5067-0205 | Vial for GC-MS |
| Hexanes | Sigma Aldrich | 1.0706 | Reagent |
| Hydrochloric Acid | Sigma Aldrich | 258148 | Reagent |
| Hydrogen peroxide solution (30% v/v) | Sigma Aldrich | H1009 | Reagent |
| Isopropyl Alcohol | Sigma Aldrich | W292907 | Reagent |
| Masshunter Aquisition Software | Agilent | G1617FA | Software |
| Micropipette (100 µL - 1000 µL) | Gilson | F123602 | instrument |
| Micropipette (20 µL - 200 µL) | Gilson | F123601 | Instrument |
| Mitutoyo Digital Micrometer | Uline | H-2780 | Instrument |
| Muffle Furnace | MTI Corporation | KSL-1100X | Equipment |
| Nitric acid | Sigma Aldrich | 438073 | Reagent |
| Nitrogen gas | Sigma Aldrich | 608661 | Reagent |
| Palladium (II) Chloride | Sigma Aldrich | 520659 | Reagent |
| Pd wafer bar, 1 oz, 99.95% | Silver Gold Bull. | NA | Reagent |
| Platinum Auxiliary Electrode | BASi research products | MW-1032 | Anode |
| Potentiostat | Metrohm | PGSTAT302N | Instrument |
| Propiophenone | Sigma Aldrich | P51605 | Reagent |
| Proton Exchange Membrane, Nafion 212 | Fuel cell store | NA | Electrochemical cell assembly |
| Sulfuric acid | Sigma Aldrich | 258105 | Reagent |
References
- Rytter, E., Hillestad, M., Austbø, B., Lamb, J. J., Sarker, S. Chapter six - Thermochemical production of fuels. Hydrogen, Biomass and Bioenergy. Lamb, J. J., Pollet, B. G. , Academic Press. Cambridge, MA. 89-117 (2020).
- Arpe, H. -J. Industrial Organic Chemistry. , Butterworth-Heinemann. (2017).
- Orella, M. J., Román-Leshkov, Y., Brushett, F. R. Emerging opportunities for electrochemical processing to enable sustainable chemical manufacturing. Current Opinion in Chemical Engineering. 20, 159-167 (2018).
- May, A. S., Biddinger, E. J. Strategies to control electrochemical hydrogenation and hydrogenolysis of furfural and minimize undesired side reactions. ACS Catalysis. 10 (5), 3212-3221 (2020).
- Tang, B. Y., Bisbey, R. P., Lodaya, K. M., Toh, W. L., Surendranath, Y. Reaction environment impacts charge transfer but not chemical reaction steps in hydrogen evolution catalysis. ChemRxiv. , (2022).
- Iwakura, C., Yoshida, Y., Inoue, H. A new hydrogenation system of 4-methylstyrene using a palladinized palladium sheet electrode. Journal of Electroanalytical Chemistry. 431 (1), 43-45 (1997).
- Inoue, H., Abe, T., Iwakura, C. Successive hydrogenation of styrene at a palladium sheet electrode combined with electrochemical supply of hydrogen. Chemical Communications. , 55-56 (1996).
- Conde, J. J., Maroño, M., Sánchez-Hervás, J. M. Pd-based membranes for hydrogen separation: Review of alloying elements and their influence on membrane properties. Separation and Purification Reviews. 46 (2), 152-177 (2017).
- Wicke, E., Brodowsky, H., Züchner, H. Hydrogen in palladium and palladium alloys. Hydrogen in Metals II. Topics in Applied Physics., edited by Alefeld, G., Völkl, J. Alefeld, G., VÖlkl, J. 29, Springer. Berlin, Heidelberg. (1978).
- Sato, T., Sato, S., Itoh, N. Using a hydrogen-permeable palladium membrane electrode to produce hydrogen from water and hydrogenate toluene. International Journal Hydrogen Energy. 41 (12), 5419-5427 (2016).
- Sherbo, R. S., Delima, R. S., Chiykowski, V. A., MacLeod, B. P., Berlinguette, C. P. Complete electron economy by pairing electrolysis with hydrogenation. Nature Catalysis. 1, 501-507 (2018).
- Sherbo, R. S., Kurimoto, A., Brown, C. M., Berlinguette, C. P. Efficient electrocatalytic hydrogenation with a palladium membrane reactor. Journal of American Chemical Society. 141 (19), 7815-7821 (2019).
- Kurimoto, A., Sherbo, R. S., Cao, Y., Loo, N. W. X., Berlinguette, C. P. Electrolytic deuteration of unsaturated bonds without using D2. Nature Catalysis. 3, 719-726 (2020).
- Jansonius, R. P., et al. Hydrogenation without H2 using a palladium membrane flow cell. Cell Reports Physical Science. 1 (7), 100105 (2020).
- Huang, A., et al. Electrolysis can be used to resolve hydrogenation pathways at palladium surfaces in a membrane reactor. Journal of American Chemical Society Au. 1 (3), 336-343 (2021).
- Delima, R. S., et al. Selective hydrogenation of furfural using a membrane reactor. Energy and Environmental Science. 15 (1), 215-224 (2021).
- Sato, T., Takada, A., Itoh, N. Low-temperature hydrogenation of toluene by electrolysis of water with hydrogen permeable palladium membrane electrode. Chemistry Letters. 46 (4), 477-480 (2017).
- Maoka, T., Enyo, M. Overpotential decay transients and the reaction mechanism on the Pd-H2 electrode. Surface Technology. 8 (5), 441-450 (1979).
- Kurimoto, A., et al. Physical separation of H2 activation from hydrogenation chemistry reveals the specific role of secondary metal catalysts. Angewandte Chemie International Edition. 60 (21), 11937-11942 (2021).
