مقالة منهجية

إنتاج الهيدروجين واستخدامه في مفاعل غشائي

DOI:

10.3791/65098

⸱

مارس 10, 2023

 ,  , 
1Department of Chemical and Biological Engineering, The University of British Columbia, 2Department of Chemistry, The University of British Columbia, 3Stewart Blusson Quantum Matter Institute, The University of British Columbia, 4Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR)

* These authors contributed equally

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تتيح المفاعلات الغشائية الهدرجة في الظروف المحيطة دون إدخال H2 المباشر. يمكننا تتبع إنتاج الهيدروجين واستخدامه في هذه الأنظمة باستخدام قياس الطيف الكتلي للغلاف الجوي (atm-MS) وقياس الطيف الكتلي اللوني للغاز (GC-MS).

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تستهلك الهدرجة الصناعية ~ 11 طن متري من غاز H2 المشتق من الأحفوري سنويا. اخترعت مجموعتنا مفاعلا غشائيا لتجاوز الحاجة إلى استخدام غاز H2 لكيمياء الهدرجة. مصدر المفاعل الغشائي الهيدروجين من الماء ويدفع التفاعلات باستخدام الكهرباء المتجددة. في هذا المفاعل ، تفصل قطعة رقيقة من Pd حجرة إنتاج الهيدروجين الكهروكيميائية عن حجرة الهدرجة الكيميائية. يعمل Pd في المفاعل الغشائي ك (i) غشاء انتقائي للهيدروجين ، (ii) كاثود ، و (iii) محفز للهدرجة. هنا ، نبلغ عن استخدام مطياف الكتلة الجوية (atm-MS) وقياس الطيف الكتلي اللوني للغاز (GC-MS) لإثبات أن التحيز الكهروكيميائي المطبق عبر غشاء Pd يتيح الهدرجة الفعالة دون إدخال H2 المباشر في مفاعل غشائي. باستخدام atm-MS ، قمنا بقياس تغلغل الهيدروجين بنسبة 73٪ ، مما مكن من هدرجة البروبيوفينون إلى بروبيل بنزين بانتقائية 100٪ ، كما تم قياسها بواسطة GC-MS. على عكس الهدرجة الكهروكيميائية التقليدية ، والتي تقتصر على تركيزات منخفضة من المواد الأولية المذابة في إلكتروليت بروتوني ، فإن الفصل المادي لإنتاج الهيدروجين عن الاستخدام في المفاعل الغشائي يتيح الهدرجة في أي مذيب أو بأي تركيز. إن استخدام تركيزات عالية ومجموعة واسعة من المذيبات مهم بشكل خاص لقابلية توسيع المفاعل وتسويقه في المستقبل.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تستخدم تفاعلات الهدرجة الكيميائية الحرارية في ~ 20٪ من جميع التخليق الكيميائي1. تتطلب هذه التفاعلات كميات كبيرة من غاز H 2 ، والتي عادة ما تكون مشتقة من الوقود الأحفوري ، ودرجات حرارة تتراوح بين 150 درجة مئوية و 600 درجة مئوية ، وضغوط تصل إلى 200 ضغطجوي 2. الهدرجة الكهروكيميائية هي طريقة جذابة لتجاوز هذه المتطلبات ودفع تفاعلات الهدرجة باستخدام الماء والكهرباء المتجددة3. بالنسبة للهدرجة الكهروكيميائية التقليدية ، يتم إذابة مادة وسيطة غير مشبعة في إلكتروليت بروتوني في خلية كهروكيميائية. عند تطبيق جهد على الخلية، تحدث أكسدة الماء عند المصعد، بينما تحدث الهدرجة عند المهبط. في إعداد التفاعل هذا، تحدث كل من أكسدة الماء الكهروكيميائية والهدرجة الكيميائية في بيئة التفاعل نفسها. يتم إذابة الركيزة العضوية في إلكتروليت بروتوني لتمكين كل من تقسيم الماء الكهروكيميائي وهدرجة المادة الخام. يمكن أن يؤدي قرب هذه التفاعلات إلى تكوين منتج ثانوي وقاذورات القطب عندما يكون المتفاعل عرضة للهجوم النووي أو إذا كان تركيز المتفاعل مرتفعا جدا (>0.25 M)4.

دفعت هذه التحديات مجموعتنا إلى استكشاف طرق بديلة لدفع تفاعلات الهدرجة الكهروكيميائية5،6،7. نتج عن هذا البحث استخدام غشاء Pd ، والذي يستخدم تقليديا في فصل غاز الهيدروجين8. نستخدمه كقطب كهربائي للماء على جانب المفاعل الكهروكيميائي. يتيح هذا التطبيق الجديد لغشاء البلاديوم الفصل المادي لموقع أكسدة الماء الكهروكيميائية من موقع الهدرجة الكيميائية. يتكون تكوين المفاعل الناتج من جزأتين: 1) حجرة كهروكيميائية لإنتاج الهيدروجين. و 2) حجرة كيميائية للهدرجة (الشكل 1). يتم إنشاء البروتونات في المقصورة الكهروكيميائية عن طريق تطبيق جهد عبر أنود Pt وغشاء Pd ، والذي يعمل أيضا ككاثود. ثم تهاجر هذه البروتونات إلى غشاء Pd ، حيث يتم اختزالها إلى ذرات هيدروجين ممتزة على السطح. يمكن تقسيم الحجرة الكهروكيميائية لتشمل غشاء تبادل كاتيوني اختياري لتسهيل هجرة البروتون هذه. تتخلل ذرات الهيدروجين الممتصة سطحيا من خلال المواقع الثماني السطوح الخلالية لشبكة Pd fcc9 وتظهر على الوجه المقابل للغشاء في حجرة الهدرجة ، حيث تتفاعل مع الروابط غير المشبعة لمادة وسيطة معينة لتشكيل منتجات مهدرجة7،10،11،12،13،14،15،16. لذلك ، يعمل Pd في المفاعل الغشائي ك (i) غشاء انتقائي للهيدروجين ، (ii) كاثود ، و (iii) محفز للهدرجة.

figure-introduction-1
الشكل 1: إضافة الهيدروجين في مفاعل غشائي. أكسدة الماء عند الأنود تنتج البروتونات، والتي يتم اختزالها على كاثود البلاديوم. يتخلل H غشاء Pd ويتفاعل مع البروبيوفينون لتكوين بروبيل بنزين. تطور الهيدروجين هو تفاعل منافس يمكن أن يحدث على جانبي غشاء البلاديوم. بالنسبة لقياس الطيف الكتلي في الغلاف الجوي ، لا يتم استخدام مادة وسيطة كيميائية ، مما يستلزم مغادرة H للمفاعل في شكل غاز H2 في المقصورات الكهروكيميائية أو الهدرجة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يتم تجميع المفاعل الغشائي عن طريق وضع غشاء Pd بين حجرات الأنود والكاثود للخلية الهيدروجينيةالكهروكيميائية 12. تستخدم الحلقات O المقاومة للمواد الكيميائية لتثبيت الغشاء في مكانه وضمان ختم خال من التسرب. تحتوي المقصورة الكهروكيميائية للمفاعل الغشائي على محلول مائي غني بالهيدروجين. في هذه الدراسة ، نستخدم 1 M H 2 SO4 وأنود يتكون من سلك Pt مغلف بقطعة 5 سم2من شبكة البلاتين. يتم غمر الأنود في محلول المنحل بالكهرباء من خلال ثقب في الجزء العلوي من المقصورة الكهروكيميائية. تحتوي حجرة الهدرجة الكيميائية على مادة وسيطة للمذيبات والهدرجة7،10،11،12،16،17. يتم استخدام الفتحة الموجودة في الجزء العلوي من حجرة الخلايا الهيدروجينية لأخذ العينات. تستخدم التجارب الموضحة هنا 0.01 M بروبيوفينون في الإيثانول كتغذية للهدرجة. ومع ذلك ، يمكن أن تختلف المواد الأولية (والتركيز) لتناسب الاحتياجات التجريبية. على سبيل المثال، يمكن إذابة مادة أولية تحتوي على سلسلة هيدروكربونية طويلة ومجموعة ألكاين وظيفية في البنتان لتحسين الذوبانية11. يمكن أن يكون التيار المؤثر للتفاعل بين 5 mA/cm2 و300 mA/cm2. تتم جميع ردود الفعل تحت درجة الحرارة والضغط المحيطين.

يستخدم قياس الطيف الكتلي الجوي (atm-MS) لقياس نسبة الهيدروجين في المقصورة الكهروكيميائية التي تتخلل حجرة الهدرجة11,12. هذا القياس مهم لفهم مدخلات الطاقة المطلوبة للمفاعل الغشائي ، لأنه يكشف عن أقصى استخدام ممكن للهيدروجين (أي مقدار الهيدروجين الذي يتم إنتاجه والذي يمكن استخدامه بالفعل في تفاعلات الهدرجة). يتم حساب تغلغل الهيدروجين من خلال غشاء Pd عن طريق قياس كمية H2 التي تتطور من كل من المقصورات الكهروكيميائية والهدرجة11,12. تعني قيمة التخلل بنسبة 100٪ أن كل الهيدروجين المنتج في المقصورة الكهروكيميائية يتم نقله عبر غشاء Pd إلى حجرة الهدرجة ثم يتحد لاحقا لتكوين غاز الهيدروجين. تعني قيمة التخلل البالغة <100٪ أن تطور الهيدروجين يحدث في المقصورة الكهروكيميائية قبل أن يتخلل الغشاء. نظرا لأن H2 يتم إنتاجه إما من حجرة الكهروكيميائية أو الهدرجة ، فإنه يدخل الجهاز ويتأين إلى H2+. يختار القطب الرباعي شظايا m / z = +2 ، ويتم قياس الشحنة المقابلة بواسطة الكاشف. المؤامرة التي تم الحصول عليها بواسطة هذه التقنية هي الشحنة الأيونية بمرور الوقت. يتم قياس الشحنة الأيونية لحجرة الهدرجة أولا ، وعندما تستقر الإشارة ، يتم تغيير القنوات لقياس المقصورة الكهروكيميائية. يتم حساب نفاذية الهيدروجين بقسمة متوسط الشحنة الأيونية في حجرة الهدرجة على إجمالي الشحنة الأيونية المقاسة في المفاعل (المعادلة 1)11,12. لحساب تغلغل الهيدروجين ، يتم قياس H2 من الهدرجة والمقصورات الكهروكيميائية بشكل منفصل باستخدام atm-MS.

figure-introduction-2 (مكافئ 1)

يستخدم قياس الطيف الكتلي اللوني للغاز (GC-MS) لمراقبة تقدم تفاعل الهدرجة12،14،15،16. لجمع البيانات على سبيل المثال ، تمتلئ حجرة الهدرجة في المفاعل ب 0.01 M بروبيوفينون في الإيثانول. من خلال تطبيق جهد عبر مصعد Pt ومهبط Pd ، يتم توفير الهيدروجين التفاعلي إلى حجرة الهدرجة. ثم تقوم ذرات الهيدروجين التفاعلية بهدرجة المواد الخام غير المشبعة ، ويتم قياس المنتجات باستخدام GC-MS ، حيث تكون العينة مجزأة ومتأينة. من خلال تحليل كتلة هذه الشظايا ، يمكن تحديد تكوين محلول الهدرجة ، ويمكن حساب معدلات التفاعل12،14،15،16.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Pd المتداول

  1. نظف شريط الويفر Pd بمزيج من الهكسان باستخدام قطعة قماش قطنية.
    تنبيه: الهكسان قابل للاشتعال ، ويشكل خطرا على الصحة ، ومهيجا ، وضارا بالبيئة. العمل تحت التهوية المناسبة (أي الغطس أو غطاء الدخان).
  2. لف رقاقة Pd باستخدام بكرة يدوية حتى يصل سمكها إلى ≤150 ميكرومتر ، على النحو الذي يحدده ميكرومتر رقمي.
  3. لف Pd باستخدام بكرة أوتوماتيكية بسمك 25 ميكرومتر ، على النحو الذي يحدده ميكرومتر رقمي. ثم قم بقص Pd الناتج إلى الأبعاد المطلوبة (على سبيل المثال ، 3.5 سم × 3.5 سم).

2. Pd التلدين

  1. قم بتحميل رقائق Pd الملفوفة في فرن دثر بجو N2 .
  2. قم بتسخين رقائق Pd بدءا من 25 درجة مئوية ، وارفع درجة الحرارة إلى 850 درجة مئوية بمعدل 60 درجة مئوية / ساعة. امسك درجة الحرارة عند 850 درجة مئوية لمدة 1.5 ساعة ، ثم قم بتبريد الفرن إلى درجة حرارة الغرفة بمعدل 60 درجة مئوية / ساعة.

3. تنظيف PD

  1. تحضير محلول تنظيف عن طريق الجمع بين 10 مل من حمض النيتريك، و20 مل من 30٪ (v/v) بيروكسيد الهيدروجين، و10 مل من الماء منزوع الأيونات.
    تنبيه: حمض النيتريك مادة أكالة ومؤكسدة وسامة. بيروكسيد الهيدروجين مادة أكالة ومؤكسدة وضارة.
  2. اغمر رقائق Pd الملدنة في محلول التنظيف حتى تهدأ الفقاعات القوية أو يتحول المحلول إلى اللون الأصفر (20-30 دقيقة).
  3. اشطف رقائق Pd مرتين بماء DI ومرة واحدة بكحول الأيزوبروبيل ، ثم جففها بالهواء.

4. تجميع المفاعل (الشكل 2 ، من اليسار إلى اليمين)

  1. قم بتجميع المفاعل عن طريق وضع غشاء Pd بين نصفين من خلية هيدروكيميائية كهروكيميائية.
  2. ضع حشية مقاومة للمواد الكيميائية بين الجانب الأيسر من الخلية وغشاء Pd.
  3. ضع حشية إضافية مقاومة للمواد الكيميائية بين غشاء Pd والجانب الأيمن من الخلية الكهروكيميائية.
  4. ختم تكوين الخلية الناتجة مع مقطع.

figure-protocol-1
الشكل 2: صورة لتجميع الخلايا الهيدروجينية. تحتوي المقصورة الكهروكيميائية على 1 M H2SO4 بالكهرباء ؛ هذا هو المكان الذي تحدث فيه أكسدة الماء. يفصل غشاء البلاديوم نصفي الخلية الهيدروجينية ، وتوفر الحشيات ختما خاليا من التسرب. تحتوي حجرة الهدرجة على 0.01 M بروبيوفينون في الإيثانول (EtOH). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

5. Pd الترسيب الكهربائي

  1. تحضير محلول طلاء كهربائي عن طريق إذابة PdCl2 إلى 1 M HCl للوصول إلى تركيز 15.9 mM.
    تنبيه: PdCl2 ضار ومسبب للتآكل. حمض الهيدروكلوريك تآكل ومهيج.
  2. قم بتجميع المفاعل باستخدام رقائق Pd نظيفة من الخطوة 3.
  3. املأ المقصورة الكهروكيميائية للمفاعل ب 24 مل من محلول الطلاء الكهربائي المحضر ، واترك حجرة الهدرجة فارغة.
  4. ضع أنود شبكة Pt وقطب مرجعي Ag / AgCl في المحلول في الحجرة الكهروكيميائية.
  5. قم بتوصيل الأقطاب الكهربائية بجهد ، وقم بتطبيق جهد -0.2 فولت مقابل Ag / AgCl على رقائق Pd حتى تمر شحنة 15 درجة مئوية.
  6. قم بتفكيك المفاعل ، وشطف غشاء Pd الناتج مرتين بالماء منزوع الأيونات ومرة واحدة بكحول الأيزوبروبيل ، ثم جفف الغشاء تحت تيار من الهواء أو N2. سيكون لغشاء Pd الآن ترسب مرئي لأسود Pd على السطح الذي تعرض لمحلول الطلاء الكهربائي.

6. إعداد مفاعل Atm-MS

  1. قم بتجميع المفاعل كما هو موضح في الخطوة 4. املأ الحجرة الكهروكيميائية ب 1 M H2SO4 ، واملأ حجرة الهدرجة بالإيثانول. لا تضيف المواد الخام للهدرجة.
    تنبيه: H2SO4 ضار ومسبب للتآكل. الإيثانول قابل للاشتعال وضار ويشكل خطرا على الصحة.
  2. اغمر قطب عداد Pt في المنحل بالكهرباء. قم بتوصيل قطب عداد Pt وغشاء Pd بمصدر طاقة باستخدام مشابك التمساح. قم بتوصيل قطب عداد Pt باعتباره القطب الموجب وغشاء Pd كقطب سالب.
  3. تطبيق تيار ثابت من 25 مللي أمبير.

7. إعداد أداة ATM-MS

  1. قم بتشغيل مفتاح الطاقة في الجزء الخلفي من وحدة atm-MS ، أسفل سلك الطاقة مباشرة.
  2. اضغط على زر المضخة في المقدمة لتشغيل المضخة (ستضيء باللون الأزرق عند التشغيل). ثم ، قم بتشغيل سترة الخبز (مفتاح دائري أخضر ، سيضيء الضوء).
  3. قم بتشغيل القناة الشعرية المراد استخدامها (مفاتيح دائرية حمراء بجوار القنوات ، سيضيء الضوء). تأكد من تشغيل القناة المستخدمة عن طريق الشعور بتسخين الأنبوب.
    ملاحظة: سيضيء مؤشر LED الأخضر بجوار "vac ok" في غضون بضع دقائق من تشغيل المضخة. لإيقاف تشغيل النظام بعد الانتهاء من التجارب ، قم بإيقاف تشغيل جميع المفاتيح التي تم تشغيلها.
  4. قم بتوصيل مخرج خلية الهدرجة بالشعيرات الدموية atm-MS. يجب أن يكون هذا الاتصال محكم الإغلاق.

8. إعداد برنامج Atm-MS

  1. انقر فوق اختصار سطح مكتب الخدمة . انتقل إلى الإعداد | SEM / التحكم في الانبعاثات ، وحدد المربعات لكل من SEM والانبعاثات. اضغط على موافق. أغلق نافذة الخدمة.
  2. انقر فوق اختصار القياس ، وانتقل إلى تسلسل | تنفيذ.
  3. املأ المعلمات التالية: القياسات = 30 ، وقت التطهير = 30 ثانية. اضغط على مدير الملفات ، وقم بإنشاء مجلد لحفظ بيانات الإخراج فيه. ستستغرق هذه الإعدادات 30 قياسا مع وقت تطهير يبلغ 30 ثانية بين كل مجموعة قياس ؛ يمكن تغيير هذا إذا لزم الأمر.
  4. سيتم بعد ذلك فتح ملف قياسات MID. حدد إدارة الملفات ، وافتح برنامجا لقياس إشارة قياس الطيف الكتلي ل m / z = 2. تتوافق هذه الإشارة مع التيار الأيوني من H2+ ، وهو الشكل المتأين لغاز الهيدروجين.
  5. اضغط على موافق لبدء تشغيل البرنامج. لا تغلق نافذة القياس لأن هذا سيوقف تشغيل الجهاز.
  6. بعد استقرار الإشارة (1-3 ساعات) ، افصل الشعيرات الدموية atm-MS عن حجرة الهدرجة ، وقم بتوصيلها بالمقصورة الكهروكيميائية.
  7. احفظ البيانات ، وقم بإنهاء التجربة عندما تستقر إشارة المقصورة الكهروكيميائية (حوالي 30 دقيقة).
  8. احسب النسبة المئوية لتغلغل الهيدروجين عبر غشاء Pd باستخدام المعادلة 1.

9. الهدرجة الكهروكيميائية

  1. قم بتجميع المفاعل وفقا للخطوة 4.
  2. املأ الحجرة الكهروكيميائية ب 24 مل من 1 M H2SO4.
  3. أدخل قطب عداد Pt في الحجرة الكهروكيميائية من خلال فتحة القطب المضاد. قم بتوصيل قطب عداد Pt بالطرف الموجب لمصدر الطاقة ، وقم بتوصيل غشاء Pd بالطرف السالب عبر شريط Cu.
  4. ضع تيارا جلفانيا مقداره 25 مللي أمبير (يتوافق مع 40 مللي أمبير / سم2) عبر الخلية لمدة 15 دقيقة. سوف يقرأ الجهد بين 3 فولت و 5 فولت.
  5. بعد مرور 15 دقيقة ، املأ الحجرة الكيميائية ب 24 مل من محلول التفاعل (على سبيل المثال ، 0.01 M propiophenone في الإيثانول). الحفاظ على التيار الجلفاني أثناء إضافة المتفاعلات.
    ملاحظة: أخذ عينة من محلول التفاعل الأولي قبل إضافته إلى المفاعل. راجع الخطوة 9.6.
    تنبيه: البروبيوفينون ضار.
  6. أخذ عينات من الحجرة الكيميائية بشكل دوري (على سبيل المثال ، كل 15 دقيقة) عن طريق أخذ 30 ميكرولتر من محلول التفاعل من الحجرة الكيميائية باستخدام ماصة دقيقة وإذابة العينة في 1 مل من ثنائي كلورو الميثان. قم بتخزين العينات في قوارير GC-MS حتى يكتمل التفاعل.
    تنبيه: ثنائي كلورو الميثان ضار ويشكل خطرا على الصحة.

10. كروماتوغرافيا الغاز - قياس الطيف الكتلي

  1. قم بتحميل قوارير العينة في درج أخذ العينات التلقائي.
  2. قم بتشغيل برنامج GC-MS بالنقر فوق رمز Masshunter الأخضر.
  3. انقر فوق تسلسل | تحرير التسلسل لفتح نافذة تحرير التسلسل. املأ أسماء العينات المطلوبة والقارورة (الموضع في درج أخذ العينات التلقائية) ومسار الطريقة وملف الأسلوب ومسار البيانات وملف البيانات في المخطط. قم بتعيين نوع العينة إلى "عينة" والتخفيف إلى 1، وتأكد من تطابق ملف البيانات مع اسم العينة.
  4. اضبط الطريقة بالضغط على الطريقة | تحرير الطريقة بأكملها.
    1. تأكد من فحص كل من معلومات الطريقة والحصول على الأداة . انقر فوق موافق. أضف تعليقات الطريقة (إذا رغبت في ذلك).
    2. تأكد من التحقق من الحصول على البيانات وتحليلها . اترك كل حقل آخر فارغا. انقر فوق موافق.
    3. تأكد من ضبط مدخل العينة على GC وضبط مصدر الحقن على GC ALS. حدد المربع استخدام MS. تأكد من تعيين موقع المدخل إلى Front وأن MS متصل بالأمام. انقر فوق موافق.
  5. تحت علامة التبويب مدخل ، تأكد من ضبط درجة حرارة السخان على 250 درجة مئوية. اضبط الضغط على 7.2 رطل لكل بوصة مربعة وتدفق He على 23.1 مل / دقيقة.
  6. تحت علامة التبويب الفرن ، اضبط درجة الحرارة الأولية على 50 درجة مئوية ، واستمر لمدة 1 دقيقة. بعد ذلك ، اضبط معدل المنحدر على 25 درجة مئوية / دقيقة ودرجة الحرارة على 200 درجة مئوية ، واستمر لمدة 0 دقيقة. انقر فوق موافق.
  7. تأكد من عدم فحص أي من إشارات العرض. انقر فوق موافق.
  8. اضبط تأخير المذيب على 2.50 دقيقة. انقر فوق موافق.
  9. تأكد من أن الشاشات المحددة تتضمن ما يلي: درجة حرارة فرن GC ، ودرجة حرارة مدخل GC F ، وضغط مدخل GC F ، وحساب تدفق عمود GC 2 ، وفولت MS EM ، ومصدر MS MS ، و MS MS quad. انقر فوق موافق.
  10. احفظ الطريقة تحت اسم الطريقة المطلوبة.
  11. ابدأ التسلسل بالنقر فوق تسلسل | بدء التسلسل | تشغيل التسلسل.
  12. عند اكتمال التسلسل ، اعرض البيانات عن طريق فتح برنامج Masshunter والنقر فوق اسم الملف الذي تمت برمجته في الخطوة 10.3.
  13. حدد قمم المنتج من خلال النقر على Spectrum | تقرير البحث في المكتبة لمقارنة أطياف الكتلة المكتسبة بقاعدة بيانات NIST.
  14. احسب التركيب النسبي للمواد والنواتج الأولية باستخدام المعادلة 2.
    figure-protocol-2(مكافئ 2)
    حيث A هو المكون الكيميائي محل الاهتمام ، و n هو عدد المكونات التي تم قياسها بواسطة GC-MS. مثال على ذلك هو كما يلي:
    figure-protocol-3

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يستخدم Atm-MS لقياس التيار الأيوني للهيدروجين الذي يتم إنتاجه في مفاعل الغشاء. يمكننا استخدام هذه القياسات لتحديد كمية الهيدروجين التي تتخلل غشاء Pd أثناء التحليل الكهربي. أولا ، يتم قياس الهيدروجين المتطور من حجرة الهدرجة (الشكل 3 ، يسار الخطوط المنقطة). عندما تصل الإشارة إلى حالة مستقرة ، يتم تحويل القناة إلى المقصورة الكهروكيميائية. ثم يتم قياس غاز H2 المتطور من المقصورة الكهروكيميائية حتى تصبح الإشارة مستقرة (الشكل 3 ، الجانب الأيمن من الخط المنقط...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتيح غشاء Pd نفاذية الهيدروجين والهدرجة الكيميائية. لذلك ، فإن تحضير هذا الغشاء مهم لفعالية مفاعل الغشاء. يتم ضبط حجم غشاء Pd وعلم البلورات والسطح لتحسين النتائج التجريبية. على الرغم من أن معدن Pd يمكن أن يطور الهيدروجين بأي سمك ، إلا أن أغشية Pd يتم لفها إلى 25 ميكرومتر. يضمن هذا التوحيد القياسي لسمك الغشاء أن الوقت الذي يستغرقه الهيدروجين للتغلغل عبر الغشاء ثابت لجميع التجارب. علاوة على ذلك ، كلما كان الغشاء أرق ، كلما كان أكثر عرضة لتشكيل الثقب. يتم قطع أغشية Pd لتكون أكبر بنسبة 30٪ -40٪ من أبعاد الحشية المستخدمة لتثب...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أودعت ونشرت طلبات البراءات القائمة على التكنولوجيا الموصوفة في هذا العمل: Berlinguette, C. P.; Sherbo، R. S. "طرق وأجهزة إجراء التفاعلات الكيميائية والكهروكيميائية" طلب براءة الاختراع الأمريكي رقم 16964944 (أودع بناء على معاهدة التعاون بشأن البراءات في يناير 2019 ، الإدخال الوطني في يوليو 2020) ، المنشور رقم US20210040017A1 (تم النشر في فبراير 2021). طلب البراءة الكندي رقم 3089508 (أودع بناء على معاهدة التعاون بشأن البراءات في يناير 2019، والتسجيل الوطني في يوليو 2020)، المنشور رقم CA3089508 (نشر في أغسطس 2019). بيانات الأولوية: طلب براءة الاختراع المؤقت للولايات المتحدة رقم 62/622,305 (تم إيداعه في يناير 2018).

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نحن ممتنون للمجلس الكندي لأبحاث العلوم الطبيعية والهندسة (RGPIN-2018-06748) ، والمؤسسة الكندية للابتكار (229288) ، والمعهد الكندي للأبحاث المتقدمة (BSE-BERL-162173) ، وكراسي الأبحاث الكندية للدعم المالي. تم إجراء هذا البحث جزئيا بفضل التمويل المقدم من صندوق كندا الأول للتميز البحثي ، وبرنامج المواد الكمومية والتقنيات المستقبلية. نشكر بن هيرينج في مرفق الأدوات المشتركة في جامعة كولومبيا البريطانية للمساعدة في تطوير أداة GC-MS والطريقة. نشكر الدكتورة مونيكا ستولار على مساهماتها في تطوير وتحرير هذه المخطوطة. وأخيرا، نشكر مجموعة بيرلينغيت بأكملها في جامعة كولومبيا البريطانية على دعمها المستمر وتعاونها في دراسة المفاعل الغشائي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
Ag / AgCl القطب المرجعيBASi المنتجات البحثيةMW-2021القطب المرجعي
الميزان التحليليCole-ParmerRK-11219-03أداة
مطياف الكتلة في الغلاف الجويESS CatalySysNAInstrument
Bench PowerSupply Newark1550Instrument
Copper Foil Electrical Tape & نب سب.ماكماستر كار76555A711تجميع الخلايا الكهروكيميائية
ثنائي كلورو الميثانسيجما ألدريتش270997كاشف
مكبس درفلة كهربائي مع ميكرومتر مزدوجMTI CorporationMR100A
معدات الزجاج الكهروكيميائي H-cellجامعة كولومبيا البريطانية تهب الزجاجتجميع الخلايا الكهروكيميائية
ESS تحفيز QUADSTARESS CatalySysNASoftware
EthanolSigma Aldrich493511كاشف
مطحنة الدرفلة المسطحةPepetolls18700Aمعدات
كروماتوغرافيا الغاز مطياف الكتلةAgilentNAInstrument
GC-MS قارورةAgilent5067-0205قارورة ل GC-MS
HexanesSigma Aldrich1.0706الكاشف
حمض الهيدروكلوريكسيجما ألدريتش258148كاشف
محلول بيروكسيد الهيدروجين (30٪ حجم / حجم)سيجما ألدريتشH1009كاشف
كحول الأيزوبروبيلسيجما ألدريتشW292907كاشف
Masshunter Aquisition SoftwareAgilentG1617FA
Micropipette (100 & micro; L - 1000 & micro ؛ L)GilsonF123602
Micropipette (20 & micro; L - 200 & micro ؛ L) أداة جيلسونF123601
ميتوتويو ميكرومتر رقميأولينH-2780فرن دثر الصك
MTI CorporationKSL-1100Xمعدات
حمض النيتريكسيجما ألدريتش438073كاشف
غاز النيتروجينسيجما ألدريتش608661كاشف
البلاديوم (II) كلوريدسيجما ألدريتش520659
كاشف Pd بسكويت ويفر ، 1 أونصة ، 99.95٪فضة الذهب الثور.الكاشف
البلاتيني الكهربائي الإضافيBASi المنتجات البحثيةMW-1032الأنود
PotentiostatMetrohmPGSTAT302Nأداة
PropiophenoneSigma AldrichP51605كاشف
غشاء تبادل البروتون ، Nafion 212مخزن خلايا الوقود   ؛NAتجميع الخلايا الكهروكيميائية
حمض الكبريتيك   ؛كاشف 258105 سيجما ألدريتش
Conductorive NA أداة شركة NA

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Arpe, H. -J. Industrial Organic Chemistry. , Butterworth-Heinemann. (2017).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Jansonius, R. P., et al. Hydrogenation without H2 using a palladium membrane flow cell. Cell Reports Physical Science. 1 (7), 100105(2020).
  15. 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).
  16. Delima, R. S., et al. Selective hydrogenation of furfural using a membrane reactor. Energy and Environmental Science. 15 (1), 215-224 (2021).
  17. 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).
  18. Maoka, T., Enyo, M. Overpotential decay transients and the reaction mechanism on the Pd-H2 electrode. Surface Technology. 8 (5), 441-450 (1979).
  19. 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).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة