Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Produkcja i wykorzystanie wodoru w reaktorze membranowym

4.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/65098

⸱

10 marca 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

W tym artykule

Podsumowanie

Reaktory membranowe umożliwiają uwodornienie w warunkach otoczenia bez bezpośredniego dopływu H2. Możemy śledzić produkcję i wykorzystanie wodoru w tych systemach za pomocą atmosferycznej spektrometrii mas (atm-MS) i spektrometrii mas chromatografii gazowej (GC-MS).

Streszczenie

Uwodornienie przemysłowe zużywa ~11 Mt gazu H2 pochodzącego z paliw kopalnych rocznie. Nasza grupa wynalazła reaktor membranowy, aby ominąć potrzebę stosowania gazuH2 do chemii uwodornienia. Reaktor membranowy pozyskuje wodór z wody i napędza reakcje za pomocą odnawialnej energii elektrycznej. W tym reaktorze cienki kawałek Pd oddziela komorę do produkcji wodoru elektrochemicznego od komory uwodornienia chemicznego. Pd w reaktorze membranowym działa jak (i) membrana selektywna dla wodoru, (ii) katoda i (iii) katalizator uwodornienia. W niniejszym artykule przedstawiamy zastosowanie atmosferycznej spektrometrii mas (atm-MS) i spektrometrii mas chromatografii gazowej (GC-MS) w celu wykazania, że zastosowana polaryzacja elektrochemiczna na membranie Pd umożliwia wydajne uwodornienie bez bezpośredniego wkładuH2 w reaktorze membranowym. W przypadku atm-MS zmierzyliśmy przenikanie wodoru na poziomie 73%, co umożliwiło uwodornienie propiofenonu do propylobenzenu ze 100% selektywnością, mierzoną za pomocą GC-MS. W przeciwieństwie do konwencjonalnego uwodornienia elektrochemicznego, które ogranicza się do niskich stężeń materiału wyjściowego rozpuszczonego w elektrolicie protonowym, fizyczne oddzielenie produkcji wodoru od wykorzystania w reaktorze membranowym umożliwia uwodornienie w dowolnym rozpuszczalniku lub w dowolnym stężeniu. Stosowanie wysokich stężeń i szerokiej gamy rozpuszczalników jest szczególnie ważne dla skalowalności reaktora i przyszłej komercjalizacji.

Wprowadzenie

Reakcje uwodorniania termochemicznego są wykorzystywane w ok. 20% wszystkich syntez chemicznych1. Reakcje te wymagają dużych ilości gazowego H2, który zazwyczaj pozyskiwany jest z paliw kopalnych, temperatur w zakresie od 150 °C do 600 °C oraz ciśnień do 200 atm2. Uwodornianie elektrochemiczne stanowi atrakcyjną metodę obejścia tych wymagań i prowadzenia reakcji uwodorniania z wykorzystaniem wody i odnawialnej energii elektrycznej3. W konwencjonalnym uwodornianiu elektrochemicznym nienasycony substrat rozpuszcza się w elektrolicie protycznym w ogniwie elektrochemicznym. Po przyłożeniu potencjału do ogniwa, na anodzie zachodzi utlenianie wody, natomiast na katodzie zachodzi uwodornianie. W takim układzie reakcyjnym zarówno elektrochemiczne utlenianie wody, jak i chemiczne uwodornianie odbywają się w tym samym środowisku reakcji. Substrat organiczny jest rozpuszczony w elektrolicie protycznym, aby umożliwić zarówno elektrochemiczny rozkład wody, jak i uwodornianie substratu. Bliskość tych reakcji może prowadzić do powstawania produktów ubocznych i zanieczyszczenia elektrod, gdy substrat jest podatny na atak nukleofilowy lub gdy jego stężenie jest zbyt wysokie (>0,25 M)4.

Wyzwania te skłoniły naszą grupę do zbadania alternatywnych sposobów elektrochemicznego napędzania reakcji uwodornienia5,6,7. Poszukiwania te doprowadziły do zastosowania membrany z Pd, która jest konwencjonalnie wykorzystywana w separacji wodoru8. Używamy jej jako elektrody do elektrolizy wody po stronie reaktora elektrochemicznego. To nowatorskie zastosowanie membrany palladowej umożliwia fizyczną separację miejsca elektrochemicznego utleniania wody od miejsca chemicznego uwodornienia. Powstała konfiguracja reaktora składa się z dwóch przedziałów: 1) przedziału elektrochemicznego do produkcji wodoru oraz 2) przedziału chemicznego do uwodornienia (Rysunek 1). Protony są generowane w przedziale elektrochemicznym poprzez przyłożenie potencjału między anodą z Pt a membraną z Pd, która pełni również funkcję katody. Protony te migrują następnie do membrany z Pd, gdzie są redukowane do zaadsorbowanych na powierzchni atomów wodoru. Przedział elektrochemiczny może zostać podzielony, aby zawierać opcjonalną membranę wymiany kationowej w celu ułatwienia tej migracji protonów. Zaadsorbowane na powierzchni atomy wodoru przenikają przez oktaedryczne luki sieci fcc Pd9 i pojawiają się na przeciwległej powierzchni membrany w przedziale uwodornienia, gdzie reagują z wiązaniami nienasyconymi danego substratu, tworząc produkty uwodornione7,10,11,12,13,14,15,16. Pd w reaktorze membranowym pełni zatem rolę (i) membrany selektywnej względem wodoru, (ii) katody oraz (iii) katalizatora uwodornienia.

Schemat procesu uwodorniania; układ elektrochemiczny, reakcje: PP+4H→PB, 4H→2H₂, Pt, czerń palladowa.
Rycina 1: Uwodornianie w reaktorze membranowym. Utlenianie wody na anodzie generuje protony, które są redukowane na katodzie palladowej. H przenika przez membranę z Pd i reaguje z propiofenonem, tworząc propylobenzen. Wydzielanie wodoru jest reakcją konkurencyjną, która może zachodzić po obu stronach membrany palladowej. W przypadku spektrometrii mas w warunkach atmosferycznych nie stosuje się surowca chemicznego, co sprawia, że H musi opuścić reaktor w postaci gazu H2 w komorze elektrochemicznej lub uwodorniającej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Reaktor membranowy składa się poprzez umieszczenie membrany Pd pomiędzy komorami anody i katody elektrochemicznej ogniwa w kształcie litery H12. Do zamocowania membrany i zapewnienia szczelności stosuje się chemoodporne pierścienie O-ring. Komora elektrochemiczna reaktora membranowego zawiera bogaty w wodór roztwór wodny. W niniejszym badaniu zastosowano 1 M H2SO4 oraz anodę składającą się z drutu Pt owiniętego kawałkiem siatki platynowej o powierzchni 5 cm2. Anoda jest zanurzona w roztworze elektrolitu przez otwór w górnej części komory elektrochemicznej. Komora uwodornienia chemicznego zawiera rozpuszczalnik i substrat do uwodornienia7,10,11,12,16,17. Otwór w górnej części komory ogniwa H służy do pobierania próbek. W przedstawionych tutaj eksperymentach jako substrat do uwodornienia zastosowano 0,01 M propiofenon w etanolu. Niemniej jednak materiał wyjściowy (oraz jego stężenie) można zmieniać w zależności od potrzeb doświadczalnych. Na przykład materiał wyjściowy zawierający długi łańcuch węglowodorowy i grupę funkcyjną alkini może zostać rozpuszczony w pentanie w celu poprawy rozpuszczalności11. Natężenie prądu przyłożone do reakcji może wynosić od 5 mA/cm2 do 300 mA/cm2. Wszystkie reakcje są prowadzone w temperaturze i pod ciśnieniem otoczenia.

Atmosferyczna spektrometria mas (atm-MS) jest wykorzystywana do pomiaru procentowej ilości wodoru z komory elektrochemicznej, która przenika do komory uwodornienia11,12. Pomiar ten jest istotny dla zrozumienia nakładów energii wymaganych dla reaktora membranowego, ponieważ ujawnia on maksymalną możliwą stopień wykorzystania wodoru (tzn. jaką część produkowanego wodoru można faktycznie wykorzystać w reakcjach uwodornienia). Przenikanie wodoru przez membranę Pd oblicza się poprzez pomiar ilości H2 wydzielającego się zarówno z komory elektrochemicznej, jak i komory uwodornienia11,12. Wartość przenikania wynosząca 100% oznacza, że cały wodór wyprodukowany w komorze elektrochemicznej jest transportowany przez membranę Pd do komory uwodornienia, a następnie łączy się, tworząc gazowy wodór. Wartość przenikania <100% oznacza, że wydzielanie wodoru następuje w komorze elektrochemicznej przed jego przeniknięciem przez membranę. Gdy H2 jest produkowany w komorze elektrochemicznej lub komorze uwodornienia, dostaje się do instrumentu i zostaje zjonizowany do H2+. Kvadrupol wybiera fragmenty o m/z = +2, a odpowiadający im ładunek jest mierzony przez detektor. Wykresem uzyskanym za pomocą tej techniki jest ładunek jonowy w funkcji czasu. Ładunek jonowy jest najpierw mierzony dla komory uwodornienia, a po ustabilizowaniu sygnału kanały są zmieniane w celu pomiaru w komorze elektrochemicznej. Przenikanie wodoru oblicza się, dzieląc średni ładunek jonowy w komorze uwodornienia przez całkowity ładunek jonowy zmierzony w reaktorze (Równanie 1)11,12. Aby obliczyć przenikanie wodoru, ilość H2 z komory uwodornienia i komory elektrochemicznej mierzy się oddzielnie przy użyciu atm-MS.

Równanie wydajności przenikania wodoru, pokazujące stosunek uwodornienia H+ do całkowitej liczby reakcji H+. (Równ. 1)

Chromatografia gazowa sprzężona z spektrometrią mas (GC-MS) jest wykorzystywana do monitorowania przebiegu reakcji uwodornienia12,14,15,16. W celu zebrania danych dla przykładu, komora uwodorniania reaktora jest napełniana 0,01 M roztworem propiofenonu w etanolu. Poprzez przyłożenie potencjału między anodą Pt a katodą Pd, do komory uwodorniania dostarczany jest aktywny wodór. Atomy aktywnego wodoru uwodorniają następnie nienasycony substrat, a produkty są ilościowo oznaczane za pomocą GC-MS, w której próbka ulega fragmentacji i jonizacji. Poprzez analizę masy tych fragmentów można określić skład roztworu uwodorniania oraz obliczyć szybkości reakcji12,14,15,16.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Walcowanie Pd

  1. Oczyść pręt z wafla Pd za pomocą mieszaniny heksanów, używając bawełnianej ściereczki.
    OSTREŻENIE: Heksan jest łatwopalny, stanowi zagrożenie dla zdrowia, jest substancją drażniącą i szkodliwą dla środowiska. Pracuj w warunkach odpowiedniej wentylacji (np. przy użyciu odciągu miejscowego lub dygestorium).
  2. Walcuj wafelek Pd za pomocą walcarki ręcznej, aż do osiągnięcia grubości ≤150 µm, zmierzonej mikrometrem cyfrowym.
  3. Walcuj Pd za pomocą walcarki automatycznej do grubości 25 µm, zmierzonej mikrometrem cyfrowym. Następnie potnij otrzymane Pd na pożądane wymiary (np. 3,5 cm x 3,5 cm).

2. Wyżarzanie Pd

  1. Umieść zwinięte folie Pd w piecu muflowym w atmosferze N2.
  2. Ogrzewaj folie Pd, rozpoczynając od 25 °C, zwiększając temperaturę do 850 °C z szybkością 60 °C/h. Utrzymuj temperaturę 850 °C przez 1,5 h, a następnie schłódź piec do temperatury pokojowej z szybkością 60 °C/h.

3. Czyszczenie Pd

  1. Przygotować roztwór czyszczący, łącząc 10 mL kwasu azotowego, 20 mL 30% (v/v) nadtlenku wodoru oraz 10 mL wody dejonizowanej.
    OSTROŻNIE: Kwas azotowy jest substancją żrącą, utleniającą i toksyczną. Nadtlenek wodoru jest substancją żrącą, utleniającą i szkodliwą.
  2. Zanurzyć wyżarzone folie Pd w roztworze czyszczącym do czasu ustąpienia intensywnego pienienia lub zmiany barwy roztworu na żółtą (20-30 min).
  3. Przepłukać folie Pd dwukrotnie wodą DI i raz alkoholem izopropylowym, a następnie wysuszyć strumieniem powietrza.

4. Montaż reaktora (Rysunek 2, od lewej do prawej)

  1. Zmontuj reaktor, umieszczając membranę z Pd pomiędzy dwiema połowami elektrochemicznej celi H.
  2. Umieść uszczelkę odporną na chemikalia pomiędzy lewą stroną celi a membraną z Pd.
  3. Umieść dodatkową uszczelkę odporną na chemikalia pomiędzy membraną z Pd a prawą stroną celi elektrochemicznej.
  4. Zabezpiecz tak przygotowaną konfigurację celi za pomocą klipsa.

Schemat elektrochemiczny z anodą Pt i membraną Pd; uwodornienie, H₂SO₄, roztwór propiofenonu.
Rycina 2: Zdjęcie zestawu ogniwa H. Przedział elektrochemiczny zawiera elektrolit 1 M H2SO4; tutaj zachodzi utlenianie wody. Membrana palladowa oddziela dwie połowy ogniwa H, a uszczelki zapewniają szczelność układu. Przedział uwodornienia zawiera 0,01 M propiofenonu w etanolu (EtOH). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

5. Elektrodepozycja Pd

  1. Przygotować roztwór do galwanizacji, rozpuszczając PdCl2 w 1 M HCl do uzyskania stężenia 15,9 mM.
    OSTROŻNIE: PdCl2 jest szkodliwy i żrący. HCl jest żrący i drażniący.
  2. Złożyć reaktor, używając czystej folii Pd z kroku 3.
  3. Wypełnić komorę elektrochemiczną reaktora 24 mL przygotowanego roztworu do galwanizacji, pozostawiając komorę uwodorniania pustą.
  4. Umieścić anodę z siatki Pt oraz elektrodę odniesienia Ag/AgCl w roztworze w komorze elektrochemicznej.
  5. Podłączyć elektrody do potencjostatu i przyłożyć do folii Pd potencjał -0,2 V względem Ag/AgCl, aż do przepływu ładunku 15 C.
  6. Rozłożyć reaktor, przepłukać otrzymaną membranę Pd dwukrotnie wodą dejonizowaną i raz alkoholem izopropylowym, a następnie osuszyć membranę strumieniem powietrza lub N2. Na powierzchni membrany Pd, która była wystawiona na działanie roztworu do galwanizacji, widoczny będzie teraz osad Pd black.

6. Konfiguracja reaktora Atm-MS

  1. Złożyć reaktor zgodnie z instrukcjami z kroku 4. Napełnić komorę elektrochemiczną 1 M H2SO4, a komorę uwodorniania etanolem. Nie dodawać substratów do uwodorniania.
    UWAGA: H2SO4 jest substancją szkodliwą i żrącą. Etanol jest łatwopalny, szkodliwy i stanowi zagrożenie dla zdrowia.
  2. Zanurzyć platynową elektrodę pomocniczą (Pt) w elektrolicie. Połączyć elektrodę pomocniczą Pt oraz membranę Pd z zasilaczem za pomocą klipsów typu krokodylk. Podłączyć elektrodę pomocniczą Pt jako elektrodę dodatnią, a membranę Pd jako elektrodę ujemną.
  3. Przyłożyć stały prąd o natężeniu 25 mA.

7. Konfiguracja instrumentu Atm-MS

  1. Włącz przełącznik zasilania z tyłu urządzenia atm-MS, znajdujący się bezpośrednio pod kablem zasilającym.
  2. Naciśnij przycisk pompy z przodu, aby ją uruchomić (po włączeniu zapali się niebieska kontrolka). Następnie włącz płaszcz grzejny (zielony okrągły przełącznik, zapali się kontrolka).
  3. Włącz kanał kapilarny, z którego będziesz korzystać (czerwone okrągłe przełączniki obok kanałów, zapali się kontrolka). Sprawdź, czy używany kanał jest włączony, sprawdzając dotykiem, czy rurka jest podgrzewana.
    UWAGA: Zielona dioda LED obok napisu „vac ok” zapali się w ciągu kilku minut od włączenia pompy. Aby wyłączyć system po zakończeniu eksperymentów, wyłącz wszystkie włączone przełączniki.
  4. Podłącz wylot celi uwodorniającej do kapilar atm-MS. Połączenie to musi być szczelne.

8. Konfiguracja oprogramowania Atm-MS

  1. Kliknij skrót Service na pulpicie. Przejdź do Setup | SEM/Emission Control i zaznacz pola wyboru dla SEM oraz emisji. Naciśnij OK. Zamknij okno usługi.
  2. Kliknij skrót Measure i przejdź do Sequence | Execute.
  3. Wprowadź następujące parametry: Measurements = 30, Purge time = 30 s. Naciśnij File Manager i utwórz folder do zapisu danych wyjściowych. Te ustawienia pozwolą na wykonanie 30 pomiarów z czasem płukania 30 s pomiędzy każdym zestawem pomiarowym; w razie potrzeby można je zmienić.
  4. Następnie otworzy się plik pomiarowy MID. Wybierz File Management i otwórz program do pomiaru sygnału spektrometrii mas dla m/z = 2. Sygnał ten odpowiada prądowi jonowemu H2+, czyli zjonizowanej formie wodoru.
  5. Naciśnij OK, aby uruchomić program. Nie zamykaj okna pomiarowego, ponieważ spowoduje to zatrzymanie pracy instrumentu.
  6. Po ustabilizowaniu się sygnału (1-3 h) odłącz kapilarę atm-MS z komory uwodorniania i podłącz ją do komory elektrochemicznej.
  7. Zapisz dane i zakończ eksperyment, gdy sygnał dla komory elektrochemicznej się ustabilizuje (około 30 min).
  8. Oblicz procent przenikania wodoru przez membranę Pd, korzystając z Równania 1.

9. Hydrogenacja elektrochemiczna

  1. Złożyć reaktor zgodnie z krokiem 4.
  2. Napełnić komorę elektrochemiczną 24 ml 1 M H2SO4.
  3. Wprowadź platynową elektrodę pomocniczą do komory elektrochemicznej przez otwór przeznaczony dla elektrody pomocniczej. Podłącz platynową elektrodę pomocniczą do bieguna dodatniego zasilacza, a membranę Pd do bieguna ujemnego. poprzez Taśma miedziana.
  4. Przyłożyć prąd galwanostatyczny o natężeniu 25 mA (odpowiada to 40 mA/cm2) przez komórkę przez 15 min. Napięcie powinno wynosić od 3 V do 5 V.
  5. Po upływie 15 min należy napełnić komorę chemiczną 24 mL roztworu reakcyjnego (np. 0,01 M propiofenonu w etanolu). Podczas dodawania substratu należy utrzymać prąd galwanostatyczny.
    UWAGA: Należy pobrać próbkę początkowego roztworu reakcyjnego przed dodaniem go do reaktora. Patrz krok 9.6.
    UWAGA: Propiofenon jest szkodliwy.
  6. Pobieraj okresowo próby z komory chemicznej (np. co 15 min), pobierając 30 µL roztworu reakcyjnego z komory chemicznej za pomocą mikropipety i rozpuszczenie próbki w 1 mL dichlorometanu. Próbki należy przechowywać w fiolkach do GC-MS do czasu zakończenia reakcji.
    OSTROŻNIE: Dichlorometan jest szkodliwy i stanowi zagrożenie dla zdrowia.

10. Chromatografia gazowa sprzężona z spektrometrią mas

  1. Umieść fiolki z próbkami w tacy autopróbnikowej.
  2. Uruchom oprogramowanie GC-MS, klikając zieloną ikonę Masshunter.
  3. Kliknij Sequence | Edit Sequence, aby otworzyć okno edycji sekwencji. W tabeli wprowadź żądane nazwy próbek, numer fiolki (pozycja w tacy autopróbnikowej), ścieżkę metody, plik metody, ścieżkę danych oraz plik danych. Ustaw typ próbki na „sample” i rozcieńczenie na 1, a następnie upewnij się, że plik danych odpowiada nazwie próbki.
  4. Dostosuj metodę, klikając Method | Edit Entire Method.
    1. Upewnij się, że zaznaczone są zarówno Method information, jak i Instrument acquisition. Kliknij OK. Dodaj Method comments (jeśli chcesz).
    2. Upewnij się, że zaznaczone są Data Acquisition oraz Data analysis. Pozostaw pozostałe pola puste. Kliknij OK.
    3. Upewnij się, że wlot próbki jest ustawiony na GC, a źródło wstrzykiwania na GC ALS. Zaznacz pole Use MS. Upewnij się, że lokalizacja wlotu jest ustawiona na Front, a MS jest połączony z Front. Kliknij OK.
  5. W zakładce Inlet upewnij się, że temperatura grzałki jest ustawiona na 250 °C. Ustaw ciśnienie na 7.2 psi i przepływ He na 23.1 mL/min.
  6. W zakładce Oven ustaw temperaturę początkową na 50 °C i czas utrzymania na 1 min. Następnie ustaw szybkość wzrostu temperatury na 25 °C/min i temperaturę końcową na 200 °C, z czasem utrzymania 0 min. Kliknij OK.
  7. Upewnij się, że żadne z sygnałów wyświetlania nie jest zaznaczone. Kliknij OK.
  8. Ustaw opóźnienie rozpuszczalnika (solvent delay) na 2.50 min. Kliknij OK.
  9. Upewnij się, że wybrane monitory obejmują następujące parametry: GC oven temperature, GC inlet F temperature, GC inlet F pressure, GC column 2 flow calc, MS EM volts, MS MS source, MS MS quad. Kliknij OK.
  10. Zapisz metodę pod wybraną nazwą.
  11. Uruchom sekwencję, klikając Sequence | Start Sequence | Run Sequence.
  12. Po zakończeniu sekwencji przejrzyj dane, otwierając oprogramowanie Masshunter i klikając nazwę pliku zaprogramowaną w kroku 10.3.
  13. Zidentyfikuj piki produktów, klikając Spectrum | Library search report, aby porównać uzyskane widma mas z bazą danych NIST.
  14. Oblicz względny skład substratów i produktów, korzystając z równania 2.
    Wzór składu chemicznego; równanie analizy składu na podstawie wysokości piku w chromatografii.  (Równ. 2)
    gdzie A to interesujący nas składnik chemiczny, a n to liczba składników zmierzonych za pomocą GC-MS. Przykład przedstawiono poniżej:
    Schemat wzoru obliczania składu; wysokości pików; obliczanie procentowe; chemia analityczna

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Atm-MS jest wykorzystywane do pomiaru prądu jonowego wodoru wytwarzanego w reaktorze membranowym. Pomiary te pozwalają określić ilość wodoru, który przenika przez membranę Pd podczas elektrolizy. Najpierw mierzy się wodór wydzielający się z komory uwodornienia (Rysunek 3, po lewej stronie linii przerywanej). Gdy sygnał osiągnie stan stacjonarny, kanał zostaje przełączony na komorę elektrochemiczną. Następnie mierzy się gaz H2 wydzielający się z komory elektrochemicznej, aż do mome...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Membrana Pd umożliwia przenikanie wodoru i uwodornienie chemiczne. Przygotowanie tej membrany jest zatem ważne dla skuteczności reaktora membranowego. Rozmiar membrany Pd, krystalografia i powierzchnia są dostrojone w celu poprawy wyników eksperymentalnych. Chociaż metal Pd może wydzielać wodór o dowolnej grubości, membrany Pd są walcowane do 25 μm. Ta standaryzacja grubości membrany zapewnia, że czas potrzebny na przeniknięcie wodoru przez membranę jest stały dla wszystkich eksperymentów. Co więcej, im cieńsza membrana,...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Zgłoszenia patentowe oparte na technologii opisanej w tej pracy zostały złożone i opublikowane: Berlinguette, C. P.; Sherbo, R. S. "Metody i aparatura do przeprowadzania reakcji chemicznych i elektrochemicznych" Zgłoszenie patentowe USA nr 16964944 (PCT złożone w styczniu 2019 r., Wpis krajowy w lipcu 2020 r.), Publikacja nr US20210040017A1 (opublikowano w lutym 2021 r.). Kanadyjskie zgłoszenie patentowe nr 3089508 (PCT złożone w styczniu 2019 r., wpis krajowy w lipcu 2020 r.), nr publikacji CA3089508 (opublikowano w sierpniu 2019 r.). Dane priorytetowe: Tymczasowe zgłoszenie patentowe USA nr 62/622,305 (złożone w styczniu 2018 r.).

Podziękowania

Jesteśmy wdzięczni Kanadyjskiej Radzie ds. Badań Nauk Przyrodniczych i Inżynierii (RGPIN-2018-06748), Kanadyjskiej Fundacji Innowacji (229288), Kanadyjskiemu Instytutowi Zaawansowanych Badań (BSE-BERL-162173) oraz Kanadyjskim Katedrom Badawczym za wsparcie finansowe. Badania te zostały podjęte częściowo dzięki finansowaniu z Canada First Research Excellence Fund, Quantum Materials and Future Technologies Program. Dziękujemy Benowi Herringowi z UBC Shared Instrument Facility za pomoc w rozwoju instrumentu i metody GC-MS. Dziękujemy dr Monice Stolar za wkład w opracowanie i redakcję tego manuskryptu. Na koniec dziękujemy całej Grupie Berlinguette z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej za nieustające wsparcie i współpracę w badaniach nad reaktorem membranowym.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Elektroda referencyjna Ag / AgCl Produktybadawcze BASiMW-2021Elektroda referencyjna
Waga analitycznaCole-ParmerRK-11219-03Przyrząd
Atmosferyczny spektrometr masowyESS CatalySysNAInstrument
Zasilacz laboratoryjnyNewark1550Instrument
Przewodząca taśma izolacyjna z folii miedzianej i nbsp;McMaster Carr76555A711Zespół ogniw elektrochemicznych
DichlorometanSigma Aldrich270997odczynnik
Elektryczna prasa walcownicza z podwójnym mikrometremSprzętMTI CorporationMR100A
Szkło elektrochemiczne Ogniwo H Universityof British Columbia szkłaNAMontaż ogniw elektrochemicznych
Kataliza ESS QUADSTAROprogramowanie ESS CatalySysNA
EtanolSigma Aldrich493511Odczynnik
Walcarka płaskaPepetolls18700ASprzęt
Chromatografia gazowa Spektrometr masowyAgilentNAInstrument
GC-MS FiolkaAgilent5067-0205Fiolka do GC-MS
HexanesSigma Aldrich1.0706Odczynnik
Kwas solnySigma Aldrich258148 Odczynnik
Roztwór nadtlenku wodoru (30% v/v)Sigma AldrichH1009Odczynnik
Alkohol izopropylowySigma AldrichW292907Odczynnik
Masshunter Aquisition OprogramowanieAgilentG1617FA
Mikropipeta (100 &mikro; L - 1000 &mikro; L)Mikropipeta do przyrządówGilsonF123602
(20 & mikro; L - 200 i mikro; L) GilsonF123601Instrument
Mikrometr cyfrowy MitutoyoUlineH-2780
Instrument Piec muflowyMTI CorporationKSL-1100XSprzęt
Kwas azotowySigma Aldrich438073Odczynnik
Azot gazowySigma Aldrich608661Odczynnik
Chlorek palladu (II)Sigma Aldrich520659
Odczynnik Pd tabliczka waflowa, 1 uncja, 99.95%Srebrny Złoty Byk.Odczynnik NA
Platynowa elektroda pomocniczabadawcze BASiMW-1032Anoda
PotencjostatMetrohmPGSTAT302NInstrument
PropiofenonSigma AldrichP51605Odczynnik
Membrana do wymiany protonów, Nafion 212Magazyn ogniw paliwowych NAMontaż ogniw elektrochemicznych
Kwas siarkowy Odczynnikdo 258105Sigma Aldrich
Produkty

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Elektrochemiczne uwodornianiemembrana palladowapermeacja wodoruchromatografia gazowa sprzężona z spektrometrią masatmosferyczna spektrometria masuwodornianie propiofenonuodnawialna energia elektrycznaskalowalność reaktora
Produkcja i wykorzystanie wodoru w reaktorze membranowym
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.