Waterstofproductie en -gebruik in een membraanreactor

Ons protocol beschrijft een methode om elektrochemische waterstofproductie te isoleren uit chemische grondstofhydrogenering in een enkele reactor. We kunnen de hoeveelheid waterstof karakteriseren die wordt gebruikt in de gewenste hydrogeneringsreactie. Elektrochemie wordt gescheiden van hydrogeneringschemie.

Het vermindert de kans op nevenreacties en maakt het mogelijk om met meer oplosmiddelen en concentraties te werken dan wanneer het beperkt zou zijn tot het gebruik van een elektrolyt. Om te beginnen reinigt u de palladium waferstaaf met behulp van de katoenen doek gedoopt in hexaan en rolt u deze met een handmatige rol totdat de digitale meter ongeveer 150 micrometer aangeeft. Gebruik vervolgens een automatische roller om de dikte te verminderen tot 25 micrometer en snijd deze in stukken van de gewenste grootte.

Voor het gloeien laadt u de gewalste palladiumfolies in een moffeloven onder een stikstofatmosfeer. Verwarm ze gedurende 1,5 uur op 850 tot 900 graden Celsius door de temperatuur geleidelijk te verhogen van 25 naar 900 graden Celsius met een snelheid van 60 graden Celsius per uur. Bereid een reinigingsoplossing door 10 milliliter salpeterzuur, 20 milliliter 30% waterstofperoxide en 10 milliliter gedeïoniseerd water te mengen.

Dompel de gegloeide palladiumfolies gedurende 20 tot 30 minuten onder in de reinigingsoplossing totdat het krachtige borrelen afneemt of de oplossing geel wordt. Na het tweemaal wassen van de palladiumfolies met gedeïoniseerd water, afspoelen met isopropylalcohol en aan de lucht drogen. Monteer vervolgens de reactor met behulp van geprepareerde palladiumfolies.

Om de galvaniseeroplossing te bereiden, lost u palladiumchloride op in één molair zoutzuur. Vul het elektrochemische compartiment van de reactor met 24 milliliter van de bereide oplossing en laat het hydrogeneringscompartiment leeg. Plaats een platina mesh anode en zilverchloride referentie-elektrode in het elektrochemische compartiment.

Sluit de elektroden aan op een potentiostat en breng de potentiaal van 0,2 volt aan op palladiumfolie versus zilverchloride totdat een lading van 15C passeert. Na het demonteren van de reactor, spoel het resulterende palladiummembraan tweemaal met gedeïoniseerd water en eenmaal met isopropylalcohol. Eenmaal gedroogd met lucht of stikstof, controleer op een zichtbare afzetting van zwart palladium op het membraanoppervlak.

Om de reactor samen te stellen, sandwicht u het voorbereide palladiummembraan tussen twee helften van een elektrochemische H-cel. Plaats een chemisch resistente pakking tussen de linkerkant van de cel en het palladiummembraan. Zodra een extra pakking aan de rechterkant van de cel is geplaatst, gebruikt u een clip om de reactorconfiguratie af te dichten.

Voor elektrochemische hydrogenering vult u het elektrochemische compartiment met 24 milliliter van één molair zwavelzuur. Plaats een platina tellerelektrode in het elektrochemische compartiment en sluit deze aan op de positieve aansluiting van een voeding. Bevestig met behulp van kopertape het palladiummembraan aan de negatieve terminal.

Breng vervolgens gedurende 15 minuten een galvanostatische stroom van 250 milliampère en 3 tot 5 spanning over de cel aan. Voeg na het bemonsteren van 30 microliter van de reactieoplossing 24 milliliter toe in het chemische compartiment om de galvanostatische stroom te handhaven. Verzamel elke 15 minuten een monster met een micropipet.

Los op in één milliliter dichloormethaan in de injectieflacon GC-MS en bewaar deze totdat de reactie is voltooid. Als u de monsters wilt analyseren, plaatst u ze in de automatische samplerlade. Klik vervolgens op het MassHunter-pictogram om de GC-MS-software te starten.

Selecteer volgorde en bewerk vervolgens de volgorde om het venster voor het bewerken van de reeks te openen. Vul de voorbeeldnaam, de positie van de injectieflacon, het methodepad, het methodebestand, het gegevenspad en het gegevensbestand in de grafiek in. Stel het monstertype in op het monster en de verdunning op 1.

Klik op de methode die wordt gevolgd door de hele methode bewerken om de methode aan te passen. Controleer zowel de methode-informatie als de instrumentacquisitie en druk op OK. Ook worden geverifieerde gegevensverzameling en gegevensanalyse gecontroleerd. Laat elk ander veld leeg en klik op OK. Stel de monsterinlaat in op GC en de injectiebron op GC ALS.

Zorg ervoor dat het vakje MS gebruiken is aangevinkt, de inlaatlocatie is ingesteld op vooraan, de MS is aangesloten op de voorkant en klik vervolgens op OK. Stel onder het inlaattabblad de verwarmingstemperatuur in op 250 graden Celsius, druk op 7,2 pond per vierkante inch en heliumstroom op 23,1 milliliter per minuut. Stel onder het oventabblad de begintemperatuur in op 50 graden Celsius met een houdgreep van één minuut. Stel de hellingssnelheid in op 25 graden Celsius per minuut.

De temperatuur tot 200 graden Celsius met nul minuten vasthouden en druk op OK. Controleer of niet alle weergavesignalen zijn geselecteerd en klik op OK. Stel de oplosmiddelvertraging in op 2,50 minuten en selecteer OK. Zorg ervoor dat de monitor GC-oventemperatuur, GC-inlaat F-temperatuur, GC-inlaat F-druk, GC-kolom 2-stroomcalc, MS EM-volt, MS MS-bron, MS MS-quad bevat en klik op OK. Voer de gewenste methodenaam in om de methode op te slaan. Klik op de volgorde gevolgd door de uitvoeringsvolgorde en selecteer vervolgens de uitvoeringsvolgorde om de voorbeeldanalyse te starten. Zodra de reeks is voltooid, opent u de MassHunter-software en selecteert u de bestandsnaam om de gegevens te bekijken.

Om de productpieken te identificeren, klikt u op spectrum, vervolgens op bibliotheekzoekrapport en OK om de verkregen massaspectra te vergelijken met de NIST-database. Bereken de relatieve samenstelling van grondstoffen en producten met behulp van de vergelijking. De atmosferische massaspectrometrie mat de waterstof geproduceerd in het hydrogeneringscompartiment en een elektrochemisch compartiment in de membraanreactor.

Het palladiummembraan doordrong 73% waterstof met een gemiddelde ionische stroom van 27 picoampères in het hydrogeneringscompartiment en 10 in het elektrochemische compartiment. Een ander membraan daarentegen vertoonde minder dan 1% permeatie tot waterstof. GC-MS van hydrogenering onder een elektrochemische bias toonde een scherpe piek van het uitgangsmateriaal propiofenon naarmate de reactie vorderde en vormde pieken die propylbenzeen en 1-fenyl-1-propanol vertegenwoordigden, terwijl de propiofenonpiek afnam.

Propiofenon daarentegen werd niet omgezet in het product wanneer het palladiummembraan niet elektrochemisch bevooroordeeld was. Het chromatogram vertoonde echter een onverwachte piek die werd toegeschreven aan een onzuiverheid. Onder een elektrochemisch bevooroordeeld palladiummembraan toonde het kinetische profiel van de hydrogeneringsreactie de samenstellingsverandering in uitgangsmateriaal en producten.

Wanneer het palladiummembraan daarentegen niet elektrochemisch bevooroordeeld was, werd de samenstelling van het uitgangsmateriaal niet gewijzigd omdat het product niet werd gevormd. Het is belangrijk om de reactor te monteren om lekkage tussen compartimenten te voorkomen. Bemonster de reactie met een nauwkeurig instrument zoals een micropipet om kwaliteitsgegevens van de GC-MS te garanderen.

Aanvullende karakteriseringsmethoden zoals H NMR kunnen worden uitgevoerd om de chemische structuur van de reactieproducten te bevestigen.