Methodenartikel

Waterstofproductie en -gebruik in een membraanreactor

DOI:

10.3791/65098

⸱

10 maart 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

In dit artikel

Samenvatting

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

Membraanreactoren maken hydrogenering in omgevingsomstandigheden mogelijk zonder directe H2-input . We kunnen de waterstofproductie en -gebruik in deze systemen volgen met behulp van atmosferische massaspectrometrie (atm-MS) en gaschromatografie massaspectrometrie (GC-MS).

Samenvatting

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

Industriële hydrogenering verbruikt jaarlijks ~ 11 Mt van fossiel afgeleid H2-gas . Onze groep vond een membraanreactor uit om de noodzaak om H2-gas te gebruiken voor hydrogeneringschemie te omzeilen. De membraanreactor haalt waterstof uit water en drijft reacties aan met behulp van hernieuwbare elektriciteit. In deze reactor scheidt een dun stukje Pd een elektrochemisch waterstofproductiecompartiment van een chemisch hydrogeneringscompartiment. De Pd in de membraanreactor fungeert als (i) een waterstofselectief membraan, (ii) een kathode en (iii) een katalysator voor hydrogenering. Hierin rapporteren we het gebruik van atmosferische massaspectrometrie (atm-MS) en gaschromatografie massaspectrometrie (GC-MS) om aan te tonen dat een toegepaste elektrochemische bias over een Pd-membraan efficiënte hydrogenering mogelijk maakt zonder directe H2-invoer in een membraanreactor. Met atm-MS hebben we een waterstofpermeatie van 73% gemeten, waardoor de hydrogenering van propiofenon tot propylbenzeen met 100% selectiviteit mogelijk werd, zoals gemeten door GC-MS. In tegenstelling tot conventionele elektrochemische hydrogenering, die beperkt is tot lage concentraties uitgangsmateriaal opgelost in een proprotische elektrolyt, maakt de fysische scheiding van waterstofproductie en gebruik in de membraanreactor hydrogenering in elk oplosmiddel of bij elke concentratie mogelijk. Het gebruik van hoge concentraties en een breed scala aan oplosmiddelen is bijzonder belangrijk voor de schaalbaarheid van reactoren en toekomstige commercialisering.

Inleiding

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

Thermochemische hydrogeneringsreacties worden gebruikt in ~20% van alle chemische synthese1. Deze reacties vereisen grote hoeveelheden H 2-gas, die meestal afkomstig zijn van fossiele brandstoffen, temperaturen tussen 150 °C en 600 °C en drukken tot 200 atm2. Elektrochemische hydrogenering is een aantrekkelijke manier om deze vereisten te omzeilen en hydrogeneringsreacties te stimuleren met behulp van water en hernieuwbare elektriciteit3. Voor conventionele elektrochemische hydrogenering wordt een onverzadigde grondstof opgelost in een protische elektrolyt in een elektrochemische cel. Wanneer een potentiaal op de cel wordt toegepast, vindt wateroxidatie plaats aan de anode, terwijl hydrogenering optreedt bij de kathode. In deze reactieopstelling vinden zowel elektrochemische wateroxidatie als chemische hydrogenering plaats in dezelfde reactieomgeving. Het organische substraat wordt opgelost in een protische elektrolyt om zowel elektrochemische watersplitsing als hydrogenering van de grondstof mogelijk te maken. De nabijheid van deze reacties kan leiden tot bijproductvorming en elektrodevervuiling wanneer de reactant gevoelig is voor nucleofiele aanval of als de reactantconcentratie te hoog is (>0,25 M)4.

Deze uitdagingen brachten onze groep ertoe om alternatieve manieren te onderzoeken om hydrogeneringsreacties elektrochemisch aan te sturen 5,6,7. Deze zoektocht resulteerde in het gebruik van een Pd-membraan, dat conventioneel wordt gebruikt in waterstofgasscheiding8. We gebruiken het als elektrode voor waterelektrolyse aan de kant van de elektrochemische reactor. Deze nieuwe toepassing van een palladiummembraan maakt de fysieke scheiding van de plaats van elektrochemische wateroxidatie van de plaats van chemische hydrogenering mogelijk. De resulterende reactorconfiguratie heeft twee compartimenten: 1) een elektrochemisch compartiment voor waterstofproductie; en 2) een chemisch compartiment voor hydrogenering (figuur 1). Protonen worden gegenereerd in het elektrochemische compartiment door een potentiaal aan te brengen over de Pt-anode en het Pd-membraan, dat ook als kathode dient. Deze protonen migreren vervolgens naar het Pd-membraan, waar ze worden gereduceerd tot aan het oppervlak geadsorbeerde waterstofatomen. Het elektrochemische compartiment kan worden onderverdeeld met een optioneel kationenuitwisselingsmembraan om deze protonenmigratie te vergemakkelijken. De aan het oppervlak geadsorbeerde waterstofatomen doordringen de interstitiële octaëdrische plaatsen van het Pd fcc-rooster9 en komen tevoorschijn aan de andere kant van het membraan in het hydrogeneringscompartiment, waar ze reageren met de onverzadigde bindingen van een bepaalde grondstof om gehydrogeneerde producten te vormen 7,10,11,12,13,14,15,16. De Pd in de membraanreactor fungeert daarom als (i) een waterstofselectief membraan, (ii) een kathode en (iii) een katalysator voor hydrogenering.

figure-introduction-1
Figuur 1: Hydrogenering in een membraanreactor. Wateroxidatie aan de anode produceert protonen, die op de palladiumkathode worden verminderd. H dringt door het PD-membraan en reageert met propiofenon tot propylbenzeen. Waterstofevolutie is een concurrerende reactie die aan weerszijden van het palladiummembraan kan optreden. Voor atmosferische massaspectrometrie wordt geen chemische grondstof gebruikt, waardoor H de reactor in de vorm van H2-gas in de elektrochemische of hydrogeneringscompartimenten moet verlaten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De membraanreactor wordt geassembleerd door een Pd-membraan tussen de anode- en kathodecompartimenten van een elektrochemische H-cel12 te sandwichen. Chemisch bestendige O-ringen worden gebruikt om het membraan op zijn plaats te houden en een lekvrije afdichting te garanderen. Het elektrochemische compartiment van de membraanreactor bevat een waterstofrijke waterige oplossing. In deze studie gebruiken we 1 M H 2 SO4 en een anode die bestaat uit een Pt-draad gehuld in een 5 cm2stuk platina gaas. De anode wordt ondergedompeld in de elektrolytoplossing door een gat in de bovenkant van het elektrochemische compartiment. Het chemische hydrogeneringscompartiment bevat een oplosmiddel- en hydrogeneringsgrondstof 7,10,11,12,16,17. Het gat aan de bovenkant van het H-celcompartiment wordt gebruikt voor bemonstering. De hier getoonde experimenten gebruiken 0,01 M propiofenon in ethanol als hydrogeneringsvoer. Het uitgangsmateriaal (en de concentratie) kunnen echter worden gevarieerd om aan de experimentele behoeften te voldoen. Een uitgangsmateriaal dat een lange koolwaterstofketen en een alkyn-functionele groep bevat, kan bijvoorbeeld worden opgelost in pentaan om de oplosbaarheidte verbeteren 11. De toegepaste stroom voor de reactie kan tussen 5 mA/cm 2 en 300 mA/cm2 liggen. Alle reacties worden uitgevoerd onder omgevingstemperatuur en druk.

Atmosferische massaspectrometrie (atm-MS) wordt gebruikt om het percentage waterstof in het elektrochemische compartiment te meten dat doordringt tot het hydrogeneringscompartiment11,12. Deze meting is belangrijk om de energie-input te begrijpen die nodig is voor de membraanreactor, omdat het het maximaal mogelijke waterstofgebruik onthult (d.w.z. hoeveel van de geproduceerde waterstof daadwerkelijk kan worden gebruikt voor hydrogeneringsreacties). Waterstofpermeatie door het Pd-membraan wordt berekend door de hoeveelheid H2 te meten die evolueert uit zowel het elektrochemische als het hydrogeneringscompartiment11,12. Een permeatiewaarde van 100% betekent dat alle waterstof die in het elektrochemische compartiment wordt geproduceerd, door het Pd-membraan naar het hydrogeneringscompartiment wordt getransporteerd en vervolgens combineert tot waterstofgas. Een permeatiewaarde van <100% betekent dat waterstofevolutie plaatsvindt in het elektrochemische compartiment voordat het door het membraan dringt. Omdat H2 wordt geproduceerd uit het elektrochemische of hydrogeneringscompartiment, komt het in het instrument en wordt het geïoniseerd tot H2+. De quadrupool selecteert fragmenten van m/z = +2, en de bijbehorende lading wordt gemeten door de detector. De plot die door deze techniek wordt verkregen, is de ionische lading in de tijd. De ionische lading wordt eerst gemeten voor het hydrogeneringscompartiment en wanneer het signaal stabiliseert, worden de kanalen veranderd om het elektrochemische compartiment te meten. Waterstofpermeatie wordt berekend door de gemiddelde ionische lading in het hydrogeneringscompartiment te delen door de totale ionische lading gemeten in de reactor (vergelijking 1)11,12. Om waterstofpermeatie te berekenen, wordt H2 uit de hydrogenerings- en elektrochemische compartimenten afzonderlijk gemeten met behulp van atm-MS.

figure-introduction-2 (Eq. 1)

Gaschromatografie massaspectrometrie (GC-MS) wordt gebruikt om de voortgang van de hydrogeneringsreactie te volgen12,14,15,16. Om gegevens voor het voorbeeld te verzamelen, is het hydrogeneringscompartiment van de reactor gevuld met 0,01 M propiofenon in ethanol. Door een potentiaal over de Pt-anode en de Pd-kathode aan te brengen, wordt reactieve waterstof aan het hydrogeneringscompartiment geleverd. De reactieve waterstofatomen hydrogeneren vervolgens de onverzadigde grondstof en de producten worden gekwantificeerd met behulp van GC-MS, waarbij het monster wordt gefragmenteerd en geïoniseerd. Door de massa van deze fragmenten te analyseren, kan de samenstelling van de hydrogeneringsoplossing worden bepaald en kunnen reactiesnelheden worden berekend12,14,15,16.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Pd rollen

  1. Reinig de Pd wafer bar met een mengsel van hexanen met een katoenen doek.
    LET OP: Hexaan is ontvlambaar, een gevaar voor de gezondheid, irriterend en schadelijk voor het milieu. Werk onder de juiste ventilatie (d.w.z. een snorkel of een zuurkast).
  2. Rol de Pd-wafer met behulp van een handmatige rol tot een dikte van ≤150 μm, zoals bepaald door een digitale micrometer.
  3. Rol de Pd met behulp van een automatische rol tot een dikte van 25 μm, zoals bepaald door een digitale micrometer. Snijd vervolgens de resulterende Pd in de gewenste afmetingen (bijvoorbeeld 3,5 cm x 3,5 cm).

2. Pd gloeien

  1. Laad de gerolde Pd-folies in een moffeloven met een N 2-atmosfeer.
  2. Verwarm de Pd-folies vanaf 25 °C en voer de temperatuur op tot 850 °C met een snelheid van 60 °C/h. Houd de temperatuur gedurende 1,5 uur op 850 °C en koel de oven vervolgens af tot kamertemperatuur met een snelheid van 60 °C/h.

3. Pd reiniging

  1. Bereid een reinigingsoplossing door 10 ml salpeterzuur, 20 ml 30% (v / v) waterstofperoxide en 10 ml gedeïoniseerd water te combineren.
    LET OP: Salpeterzuur is corrosief, een oxidant en giftig. Waterstofperoxide is corrosief, een oxidant en schadelijk.
  2. Dompel de gegloeide Pd-folies onder in de reinigingsoplossing totdat het krachtige borrelen afneemt of de oplossing geel wordt (20-30 min).
  3. Spoel de Pd-folies twee keer af met DI-water en één keer met isopropylalcohol en droog ze vervolgens met lucht.

4. Reactorassemblage (figuur 2, van links naar rechts)

  1. Monteer de reactor door het Pd-membraan tussen twee helften van een elektrochemische H-cel te sandwichen.
  2. Plaats een chemisch bestendige pakking tussen de linkerkant van de cel en het PD-membraan.
  3. Plaats een extra chemisch bestendige pakking tussen het Pd-membraan en de rechterkant van de elektrochemische cel.
  4. Verzegel de resulterende celconfiguratie met een clip.

figure-protocol-1
Figuur 2: Een afbeelding van de H-cel assemblage. Het elektrochemische compartiment bevat 1 M H2SO4 elektrolyt; Dit is waar wateroxidatie optreedt. Het palladiummembraan scheidt de twee helften van de H-cel en de pakkingen zorgen voor een lekvrije afdichting. Het hydrogeneringscompartiment bevat 0,01 M propiofenon in ethanol (EtOH). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

5. Pd elektrodepositie

  1. Bereid een galvaniseeroplossing door PdCl2 op te lossen in 1 M HCl om een concentratie van 15,9 mM te bereiken.
    LET OP: PdCl2 is schadelijk en corrosief. HCl is bijtend en irriterend.
  2. Monteer de reactor met behulp van een schone Pd-folie uit stap 3.
  3. Vul het elektrochemische compartiment van de reactor met 24 ml van de bereide galvaniseeroplossing en laat het hydrogeneringscompartiment leeg.
  4. Plaats een Pt mesh anode en een Ag/AgCl referentie-elektrode in de oplossing in het elektrochemische compartiment.
  5. Sluit de elektroden aan op een potentiostaat en breng een potentiaal van -0,2 V versus Ag/AgCl aan op de Pd-folie totdat een lading van 15 C is gepasseerd.
  6. Demonteer de reactor, spoel het resulterende Pd-membraan twee keer met gedeïoniseerd water en eenmaal met isopropylalcohol en droog het membraan vervolgens onder een luchtstroom of N2. Het Pd-membraan heeft nu een zichtbare afzetting van Pd-zwart op het oppervlak dat werd blootgesteld aan de galvaniseeroplossing.

6. Atm-MS reactoropstelling

  1. Monteer de reactor zoals aangegeven in stap 4. Vul het elektrochemische compartiment met 1 M H2SO4 en vul het hydrogeneringscompartiment met ethanol. Voeg geen hydrogeneringsgrondstoffen toe.
    LET OP: H2SO4 is schadelijk en corrosief. Ethanol is ontvlambaar, schadelijk en een gevaar voor de gezondheid.
  2. Dompel een Pt-tellerelektrode onder in de elektrolyt. Sluit de Pt-tellerelektrode en het Pd-membraan aan op een voeding met behulp van krokodillenklemmen. Sluit de Pt-tegenelektrode aan als de positieve elektrode en het Pd-membraan als de negatieve elektrode.
  3. Breng een constante stroom van 25 mA aan.

7. Atm-MS instrument setup

  1. Schakel de aan/uit-schakelaar aan de achterkant van de atm-MS-eenheid in, net onder het netsnoer.
  2. Druk op de pompknop aan de voorkant om de pomp in te schakelen (deze licht blauw op als deze is ingeschakeld). Zet vervolgens het bakjasje aan (groene ronde schakelaar, het lampje gaat branden).
  3. Schakel het te gebruiken capillaire kanaal in (rode ronde schakelaars naast de kanalen, het lampje gaat branden). Controleer of het gebruikte kanaal is ingeschakeld door te voelen dat de buis wordt verwarmd.
    OPMERKING: De groene LED naast "vac ok" gaat binnen enkele minuten na het inschakelen van de pomp branden. Als u het systeem wilt uitschakelen nadat u de experimenten hebt voltooid, schakelt u alle ingeschakelde schakelaars uit.
  4. Sluit de hydrogeneringsceluitlaat aan op de atm-MS-haarvaten. Deze aansluiting moet luchtdicht zijn.

8. Atm-MS software instellen

  1. Klik op de snelkoppeling Service. Ga naar Setup | SEM/Emissiebeheersing, en vink de vakjes aan voor zowel SEM als emissies. Druk op OK. Sluit het servicevenster.
  2. Klik op de snelkoppeling Meten en ga naar Volgorde | Uitvoeren.
  3. Vul de volgende parameters in: Metingen = 30, Spoeltijd = 30 s. Druk op Bestandsbeheer en maak een map om de uitvoergegevens in op te slaan. Deze instellingen nemen 30 metingen met een spoeltijd van 30 s tussen elke meetset; Dit kan indien nodig worden gewijzigd.
  4. Het MID-metingsbestand wordt dan geopend. Selecteer Bestandsbeheer en open een programma om het massaspectrometriesignaal voor m/z = 2 te meten. Dit signaal komt overeen met de ionische stroom van H2+, de geïoniseerde vorm van waterstofgas.
  5. Druk op OK om het programma te starten. Sluit het meetvenster niet, omdat het instrument dan niet meer draait.
  6. Nadat het signaal is gestabiliseerd (1-3 uur), koppelt u het atm-MS-capillair los van het hydrogeneringscompartiment en verbindt u het met het elektrochemische compartiment.
  7. Sla de gegevens op en beëindig het experiment wanneer het signaal voor het elektrochemische compartiment is gestabiliseerd (ongeveer 30 minuten).
  8. Bereken het percentage waterstofpermeatie door het Pd-membraan met behulp van vergelijking 1.

9. Elektrochemische hydrogenering

  1. Monteer de reactor volgens stap 4.
  2. Vul het elektrochemische compartiment met 24 ml 1 M H2SO4.
  3. Plaats een Pt-tellerelektrode in het elektrochemische compartiment via de tegenelektrodeopening. Sluit de Pt-tellerelektrode aan op de positieve aansluiting van een voeding en sluit het Pd-membraan via Cu-tape aan op de negatieve aansluiting.
  4. Breng gedurende 15 minuten een galvanostatische stroom van 25 mA (overeenkomend met 40 mA/cm2) aan over de cel. De spanning zal tussen 3 V en 5 V lezen.
  5. Nadat 15 minuten zijn verstreken, vult u het chemische compartiment met 24 ml reactieoplossing (bijv. 0,01 M propiofenon in ethanol). Handhaaf de galvanostatische stroom tijdens reactanttoevoeging.
    OPMERKING: Bemonster de eerste reactieoplossing voordat deze aan de reactor wordt toegevoegd. Zie stap 9.6.
    LET OP: Propiofenon is schadelijk.
  6. Bemonster het chemische compartiment periodiek (bijvoorbeeld elke 15 min.) door 30 μL reactieoplossing uit het chemische compartiment te nemen met behulp van een micropipette en het monster op te lossen in 1 ml dichloormethaan. Bewaar de monsters in GC-MS-injectieflacons totdat de reactie is voltooid.
    LET OP: Dichloormethaan is schadelijk en een gevaar voor de gezondheid.

10. Gaschromatografie-massaspectrometrie

  1. Plaats de injectieflacons in de autosampling-lade.
  2. Start de GC-MS-software door op het groene Masshunter-pictogram te klikken.
  3. Klik op Volgorde | Volgorde bewerken om het venster voor het bewerken van sequenties te openen. Vul de gewenste monsternamen, injectieflacon (positie in de autosamplinglade), methodepad, methodebestand, gegevenspad en gegevensbestand in de grafiek in. Stel het voorbeeldtype in op "monster" en de verdunning op 1 en zorg ervoor dat het gegevensbestand overeenkomt met de naam van het monster.
  4. Pas de methode aan door op Methode | Bewerk de hele methode.
    1. Zorg ervoor dat zowel methode-informatie als instrumentacquisitie zijn gecontroleerd. Klik op OK. Voeg methodeopmerkingen toe (indien gewenst).
    2. Zorg ervoor dat data-acquisitie en data-analyse zijn aangevinkt. Laat elk ander veld leeg. Klik op OK.
    3. Zorg ervoor dat de monsterinlaat is ingesteld op GC en de injectiebron op GC ALS. Vink het vakje MS gebruiken aan. Zorg ervoor dat de inlaatlocatie is ingesteld op Front en de MS is aangesloten op Front. Klik op OK.
  5. Zorg ervoor dat onder het tabblad Inlaat de verwarmingstemperatuur is ingesteld op 250 °C. Stel de druk in op 7,2 psi en de He-stroom op 23,1 ml / min.
  6. Stel onder het tabblad Oven de begintemperatuur in op 50 °C en houd deze 1 minuut vast. Stel vervolgens de hellingsnelheid in op 25 °C/min en de temperatuur op 200 °C en houd deze 0 min. Klik op OK.
  7. Zorg ervoor dat geen van de weergavesignalen is gecontroleerd. Klik op OK.
  8. Stel de oplosmiddelvertraging in op 2,50 min. Klik op OK.
  9. Zorg ervoor dat de geselecteerde monitoren het volgende bevatten: GC-oventemperatuur, GC-inlaat F-temperatuur, GC-inlaat F-druk, GC-kolom 2-stroomcalc, MS EM-volt, MS MS-bron, MS MS-quad. Klik op OK.
  10. Sla de methode op onder de gewenste methodenaam.
  11. Start de reeks door op Reeks | Volgorde starten | Volgorde uitvoeren.
  12. Wanneer de reeks is voltooid, bekijkt u de gegevens door de Masshunter-software te openen en op de bestandsnaam te klikken die in stap 10.3 is geprogrammeerd.
  13. Identificeer de productpieken door op Spectrum | Bibliotheekzoekrapport om de verworven massaspectra te vergelijken met de NIST-database.
  14. Bereken de relatieve samenstelling van grondstoffen en producten met behulp van vergelijking 2.
    figure-protocol-2(Eq. 2)
    waarbij A de chemische component van belang is en n het aantal componenten gemeten met GC-MS. Een voorbeeld is als volgt:
    figure-protocol-3

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Atm-MS wordt gebruikt om de ionische stroom te meten van de waterstof die in de membraanreactor wordt geproduceerd. We kunnen deze metingen gebruiken om te kwantificeren hoeveel waterstof door het Pd-membraan dringt tijdens elektrolyse. Eerst wordt de waterstof gemeten die uit het hydrogeneringscompartiment evolueert (figuur 3, links van de stippellijnen). Wanneer het signaal een steady state bereikt, wordt het kanaal naar het elektrochemische compartiment geschakeld. Het H2-gas d...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Het PD-membraan maakt waterstofpermeatie en chemische hydrogenering mogelijk. De bereiding van dit membraan is daarom belangrijk voor de efficiëntie van de membraanreactor. De Pd-membraangrootte, kristallografie en het oppervlak zijn afgestemd om de experimentele resultaten te verbeteren. Hoewel Pd-metaal waterstof bij elke dikte kan ontwikkelen, worden de Pd-membranen gewalst tot 25 μm. Deze standaardisatie van membraandikte zorgt ervoor dat de tijd die waterstof nodig heeft om door het membraan te dringen constant is v...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

Octrooiaanvragen op basis van de in dit werk beschreven technologie zijn ingediend en gepubliceerd: Berlinguette, C. P.; Sherbo, R. S. "Methods and Apparatus for Performing Chemical and Electrochemical Reactions" US Patent Application No. 16964944 (PCT ingediend januari 2019, nationale vermelding juli 2020), Publicatie nr. US20210040017A1 (gepubliceerd in februari 2021). Canadese octrooiaanvraag nr. 3089508 (PCT ingediend in januari 2019, nationale vermelding juli 2020), publicatienummer CA3089508 (gepubliceerd in augustus 2019). Prioritaire gegevens: Amerikaanse voorlopige octrooiaanvraag nr. 62/622.305 (ingediend in januari 2018).

Dankbetuigingen

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

We zijn de Canadian Natural Sciences and Engineering Research Council (RGPIN-2018-06748), de Canadian Foundation for Innovation (229288), het Canadian Institute for Advanced Research (BSE-BERL-162173) en Canada Research Chairs dankbaar voor financiële steun. Dit onderzoek werd mede mogelijk gemaakt dankzij financiering van het Canada First Research Excellence Fund, Quantum Materials and Future Technologies Program. We bedanken Ben Herring van de UBC Shared Instrument Facility voor hulp bij de ontwikkeling van het GC-MS-instrument en de methode. Wij danken Dr. Monika Stolar voor haar bijdragen aan de ontwikkeling en redactie van dit manuscript. Tot slot bedanken we de hele Berlinguette Group van de Universiteit van British Columbia voor hun voortdurende steun en samenwerking bij het bestuderen van de membraanreactor.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Ag/AgCl referentie-elektrodeBASi onderzoeksproductenMW-2021Referentie-elektrode
Analytische balansCole-ParmerRK-11219-03Instrument
Atmosferische massaspectrometerESS CatalySysNAInstrument
Bench voedingNewark1550Instrument
Geleidende koperfolie elektrische tape McMaster Carr76555A711Elektrochemische celsamenstelling
DichloormethaanSigma Aldrich270997Reagens
Elektrische walspers met dubbele micrometerMTI CorporationMR100AApparatuur
Elektrochemische glazen H-celUniversity of British Columbia glazenblazerijNAElektrochemische celsamenstelling
ESS katalyse QUADSTARESS CatalySysNASoftware
EthanolSigma Aldrich493511Reagens
VlakwalswalsPepetolls18700AApparatuur
Gaschromatografie massaspectrometerAgilentNAInstrument
GC-MS flesjeAgilent5067-0205Flesje voor GC-MS
HexanenSigma Aldrich1.0706Reagens
ZoutzuurSigma Aldrich258148Reagens
Waterstofperoxide-oplossing (30% v/v)Sigma AldrichH1009Reagens
IsopropylalcoholSigma AldrichW292907Reagens
Masshunter Acquisitie SoftwareAgilentG1617FASoftware
Micropipet (100 µL - 1000 µL)GilsonF123602instrument
Micropipet (20 µL - 200 µL) GilsonF123601Instrument
Mitutoyo digitaal micrometerUlineH-2780Instrument
MuffelhoofdMTI CorporationKSL-1100XApparatuur
SalpeterzuurSigma Aldrich438073Reagens
StiekstofgasSigma Aldrich608661Reagens
Palladium (II) ChlorideSigma Aldrich520659Reagens
Pd-wafelbar, 1 oz, 99,95%Silver Gold Bull.NAReagens
Platinum hulpelektrodeBASi onderzoeksproductenMW-1032Anode
PotentiostaatMetrohmPGSTAT302NInstrument
PropiofenonSigma AldrichP51605Reagens
Protonenuitwisselingsmembraan, Nafion 212Brandstofcelwinkel NAElektrochemische celsamenstelling
Zwavelzuur Sigma Aldrich258105Reagens

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Elektrochemische hydrogeneringpalladiummembraanwaterstofpermeatiegaschromatografie massaspectrometrieatmosferische massaspectrometriehydrogenering van propiofenonhernieuwbare elektriciteitschaalbaarheid van reactoren

Gerelateerde artikelen