Artykuł metodologiczny

Produkcja i wykorzystanie wodoru w reaktorze membranowym

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

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

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

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

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

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

Termochemiczne reakcje uwodornienia są stosowane w ~20% wszystkich syntez chemicznych1. Reakcje te wymagają dużych ilości gazuH2, który zwykle pochodzi z paliw kopalnych, temperatur od 150 °C do 600 °C i ciśnień do 200 atm2. Uwodornienie elektrochemiczne jest atrakcyjnym sposobem na ominięcie tych wymagań i napędzanie reakcji uwodornienia przy użyciu wody i odnawialnej energii elektrycznej3. W przypadku konwencjonalnego uwodornienia elektrochemicznego nienasycony surowiec rozpuszcza się w elektrolicie protonowym w ogniwie elektrochemicznym. Po przyłożeniu potencjału do ogniwa następuje utlenianie wody na anodzie, podczas gdy uwodornienie zachodzi na katodzie. W tym układzie reakcji zarówno elektrochemiczne utlenianie wody, jak i chemiczne uwodornienie zachodzą w tym samym środowisku reakcji. Substrat organiczny jest rozpuszczany w elektrolicie protonowym w celu umożliwienia zarówno elektrochemicznego rozszczepienia wody, jak i uwodornienia surowca. Bliskość tych reakcji może prowadzić do powstawania produktów ubocznych i zanieczyszczenia elektrod, gdy reagent jest podatny na atak nukleofilowy lub jeśli stężenie reagenta jest zbyt wysokie (>0,25 M)4.

Te wyzwania skłoniły naszą grupę do zbadania alternatywnych sposobów elektrochemicznego kierowania reakcjami uwodornienia5,6,7. W wyniku tych poszukiwań użyto membrany Pd, która jest konwencjonalnie stosowana w separacji wodoru gazowego8. Używamy go jako elektrody do elektrolizy wody po stronie reaktora elektrochemicznego. To nowatorskie zastosowanie membrany palladowej umożliwia fizyczne oddzielenie miejsca elektrochemicznego utleniania wody od miejsca chemicznego uwodornienia. Powstała w ten sposób konfiguracja reaktora składa się z dwóch przedziałów: 1) komory elektrochemicznej do produkcji wodoru; oraz 2) kompartment chemiczny do uwodornienia (Rysunek 1). Protony są generowane w komorze elektrochemicznej poprzez przyłożenie potencjału do anody Pt i membrany Pd, która służy również jako katoda. Protony te następnie migrują do membrany Pd, gdzie są redukowane do zaadsorbowanych powierzchniowo atomów wodoru. Przedział elektrochemiczny można podzielić tak, aby zawierał opcjonalną membranę kationowymienną, aby ułatwić migrację protonów. Zaadsorbowane powierzchniowo atomy wodoru przenikają przez śródmiąższowe miejsca oktaedryczne sieci Pd fcc lattice9 i wyłaniają się na przeciwnej stronie membrany w komorze uwodornienia, gdzie reagują z nienasyconymi wiązaniami danego surowca, tworząc produkty uwodornione7,10,11,12,13,14,15,16. Pd w reaktorze membranowym działa zatem jako (i) membrana selektywna dla wodoru, (ii) katoda i (iii) katalizator uwodornienia.

figure-introduction-1
Rysunek 1: Uwodornienie w reaktorze membranowym. Utlenianie wody na anodzie wytwarza protony, które są redukowane na katodzie palladowej. H przenika przez błonę Pd i reaguje z propiofenonem, tworząc propylobenzen. Wydzielanie wodoru to konkurencyjna reakcja, która może zachodzić po obu stronach błony palladowej. Do atmosferycznej spektrometrii mas nie stosuje się żadnych chemicznych surowców, co powoduje, że H musi opuścić reaktor w postaci gazuH2 w komorze elektrochemicznej lub uwodornienia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Reaktor membranowy jest montowany poprzez umieszczenie membrany Pd pomiędzy komorami anody i katody elektrochemicznego ogniwa H12. Odporne na chemikalia O-ringi służą do mocowania membrany na miejscu i zapewnienia szczelnego uszczelnienia. Komora elektrochemiczna reaktora membranowego zawiera bogaty w wodór roztwór wodny. W tym badaniu używamy 1 M H2SO4 i anody, która składa się z drutu Pt otoczonego kawałkiem siatki platynowej o długości 5 cm2. Anoda jest zanurzona w roztworze elektrolitu przez otwór w górnej części komory elektrochemicznej. Komora uwodornienia chemicznego zawiera rozpuszczalnik i surowce do uwodornienia7,10,11,12,16,17. Otwór w górnej części komory ogniwa H służy do pobierania próbek. W przedstawionych tutaj eksperymentach wykorzystuje się 0,01 M propiofenonu w etanolu jako materiał zasilający do uwodornienia. Jednak materiał wyjściowy (i stężenie) może być zróżnicowany w celu dopasowania do potrzeb eksperymentalnych. Na przykład materiał wyjściowy, który zawiera długi łańcuch węglowodorowy i alkinową grupę funkcyjną, może zostać rozpuszczony w pentanie w celu poprawy rozpuszczalności11. Prąd przyłożony do reakcji może wynosić od 5 mA/cm2 do 300 mA/cm2. Wszystkie reakcje przeprowadzane są w temperaturze i ciśnieniu otoczenia.

Atmosferyczna spektrometria mas (atm-MS) jest używana do pomiaru procentu wodoru w komorze elektrochemicznej, która przenika do komory uwodornienia11,12. Ten pomiar jest ważny dla zrozumienia wkładów energii wymaganych dla reaktora membranowego, ponieważ ujawnia maksymalne możliwe wykorzystanie wodoru (tj. ile produkowanego wodoru można faktycznie wykorzystać do reakcje uwodornienia). Przenikanie wodoru przez membranę Pd oblicza się, mierząc ilośćH2, która wydziela się zarówno z przedziału elektrochemicznego, jak i uwodornienia11,12. Wartość przenikania 100% oznacza, że cały wodór wytwarzany 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 zachodzi w komorze elektrochemicznej przed przeniknięciem przez membranę. Ponieważ H2 jest wytwarzany z komory elektrochemicznej lub uwodornienia, dostaje się do instrumentu i jest jonizowany do H2+. Kwadrupol wybiera fragmenty m/z = +2, a odpowiadający im ładunek jest mierzony przez detektor. Wykres uzyskany tą techniką to ładunek jonowy w czasie. Ładunek jonowy jest najpierw mierzony dla komory uwodornienia, a gdy sygnał się ustabilizuje, kanały są zmieniane w celu pomiaru komory 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,H2 z przedziału uwodornienia i elektrochemicznego mierzy się oddzielnie za pomocą atm-MS.

figure-introduction-2 (Równanie 1)

Spektrometria mas chromatografii gazowej (GC-MS) służy do monitorowania postępu reakcji uwodornienia12,14,15,16. Aby zebrać dane na przykład, komora uwodornienia reaktora jest wypełniona 0,01 M propiofenonem w etanolu. Poprzez przyłożenie potencjału do anody Pt i katody Pd, reaktywny wodór jest dostarczany do komory uwodornienia. Reaktywne atomy wodoru następnie uwodorniają nienasycony surowiec, a produkty są oznaczane ilościowo za pomocą GC-MS, gdzie próbka jest fragmentowana i jonizowana. Analizując masę tych fragmentów, można określić skład roztworu uwodornienia i obliczyć szybkość reakcji12,14,15,16.

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

Protokół

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

1. Zwijanie Pd

  1. Wyczyść pręt waflowy Pd mieszaniną heksanów za pomocą bawełnianej szmatki.
    UWAGA: Heksan jest łatwopalny, stanowi zagrożenie dla zdrowia, działa drażniąco i szkodliwie na środowisko. Pracuj przy odpowiedniej wentylacji (np. fajka do nurkowania lub dygestorium).
  2. Zwiń wafel Pd za pomocą wałka ręcznego, aż osiągnie grubość ≤150 μm, zgodnie z mikrometrem cyfrowym.
  3. Zwinąć Pd za pomocą automatycznego wałka do grubości 25 μm, zgodnie z pomiarem mikrometru cyfrowego. Następnie przytnij powstałą Pd na żądane wymiary (np. 3,5 cm x 3,5 cm).

2. Wyżarzanie Pd

  1. Załaduj zwinięte folie Pd do pieca muflowego z atmosferą N2.
  2. Podgrzej folie Pd zaczynając od 25 °C i zwiększ temperaturę do 850 °C z szybkością 60 °C/h. Utrzymuj temperaturę 850 °C przez 1,5 godziny, a następnie schładzaj piekarnik do temperatury pokojowej z szybkością 60 °C/h.

3. Czyszczenie PD

  1. Przygotuj roztwór czyszczący, łącząc 10 ml kwasu azotowego, 20 ml 30% (v/v) nadtlenku wodoru i 10 ml wody dejonizowanej.
    UWAGA: Kwas azotowy jest, utleniający i toksyczny. Nadtlenek wodoru jest, utleniaczem i szkodliwym.
  2. Zanurz wyżarzane folie Pd w roztworze czyszczącym, aż energiczne bulgotanie ustąpi lub roztwór zmieni kolor na żółty (20-30 min).
  3. Folie Pd opłukać dwukrotnie wodą DI i raz alkoholem izopropylowym, a następnie wysuszyć powietrzem.

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

  1. Zmontuj reaktor, umieszczając membranę Pd między dwiema połówkami elektrochemicznego ogniwa H.
  2. Umieść odporną na chemikalia uszczelkę między lewą stroną ogniwa a membraną Pd.
  3. Umieść dodatkową uszczelkę odporną na chemikalia między membraną Pd a prawą stroną ogniwa elektrochemicznego.
  4. Uszczelnij powstałą konfigurację komórek za pomocą klipsa.

figure-protocol-1
Rysunek 2: Obraz zespołu komórek H.Komora elektrochemiczna zawiera 1 M H2SO4 elektrolitu; W tym miejscu dochodzi do utleniania wody. Membrana palladowa oddziela dwie połówki ogniwa H, a uszczelki zapewniają szczelne uszczelnienie. Komora uwodornienia zawiera 0,01 M propiofenonu w etanolu (EtOH). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

5. Elektroosadzanie Pd

  1. Przygotować roztwór galwaniczny przez rozpuszczenie PdCl2 w 1 M HCl do osiągnięcia stężenia 15,9 mM.
    UWAGA: PdCl2 jest szkodliwy i. HCl jest i drażniący.
  2. Zmontuj reaktor za pomocą czystej folii Pd z kroku 3.
  3. Napełnić komorę elektrochemiczną reaktora 24 ml przygotowanego roztworu galwanicznego i pozostawić komorę uwodornienia pustą.
  4. Umieścić anodę siatkową Pt i elektrodę odniesienia Ag/AgCl w roztworze w komorze elektrochemicznej.
  5. Podłącz elektrody do potencjostatu i przyłóż potencjał -0,2 V w stosunku do Ag/AgCl do folii Pd, aż przejdzie ładunek 15 C.
  6. Zdemontuj reaktor, przepłucz powstałą membranę Pd dwukrotnie wodą dejonizowaną i raz alkoholem izopropylowym, a następnie wysusz membranę pod strumieniem powietrza lubN2. Membrana Pd będzie teraz miała widoczne osadzanie się czerni Pd na powierzchni, która została wystawiona na działanie roztworu galwanicznego.

6. Konfiguracja reaktora Atm-MS

  1. Zmontuj reaktor zgodnie ze wskazówkami w kroku 4. Napełnić komorę elektrochemiczną 1 M H2SO4 i napełnić komorę uwodornienia etanolem. Nie dodawaj surowca do uwodornienia.
    UWAGA:H2SO4 jest szkodliwy i. Etanol jest łatwopalny, szkodliwy i stanowi zagrożenie dla zdrowia.
  2. Zanurz przeciwelektrodę Pt w elektrolicie. Podłącz przeciwelektrodę Pt i membranę Pd do zasilania za pomocą zacisków krokodylkowych. Połącz przeciwelektrodę Pt jako elektrodę dodatnią, a membranę Pd jako elektrodę ujemną.
  3. Zastosuj stały prąd 25 mA.

7. Konfiguracja urządzenia ATM-MS

  1. Włącz wyłącznik zasilania z tyłu jednostki atm-MS, tuż pod przewodem zasilającym.
  2. Naciśnij przycisk pompy z przodu, aby włączyć pompę (po włączeniu zaświeci się na niebiesko). Następnie włącz obwolutkę do pieczenia (zielony okrągły przełącznik, zapali się kontrolka).
  3. Włącz kanał kapilarny, który ma być używany (czerwone okrągłe przełączniki obok kanałów, zapali się światło). Sprawdź, czy używany kanał jest włączony, czując, że rura się nagrzewa.
    UWAGA: Zielona dioda LED obok "vac ok" zaświeci się w ciągu kilku minut od włączenia pompy. Aby wyłączyć system po zakończeniu eksperymentów, wyłącz wszystkie przełączniki, które zostały włączone.
  4. Podłącz wylot ogniwa uwodornienia do kapilar atm-MS. To połączenie musi być szczelne.

8. Konfiguracja oprogramowania ATM-MS

  1. Kliknij skrót Service na pulpicie. Przejdź do punktu Ustawienia | SEM/Kontrola emisji i zaznacz pola wyboru zarówno dla SEM, jak i emisji. Naciśnij przycisk OK. Zamknij okno usługi.
  2. Kliknij skrót Zmierz i przejdź do punktu menu Sekwencja | Wykonać.
  3. Wypełnij następujące parametry: Pomiary = 30, Czas czyszczenia = 30 s. Naciśnij Menedżer plików i utwórz folder, w którym chcesz zapisać dane wyjściowe. Te ustawienia wykonają 30 pomiarów z czasem czyszczenia wynoszącym 30 s między każdym zestawem pomiarów; W razie potrzeby można to zmienić.
  4. Otworzy się plik z pomiarami MID. Wybierz Zarządzanie plikami i otwórz program do pomiaru sygnału spektrometrii mas dla m/z = 2. Sygnał ten odpowiada prądowi jonowemu z H2+, zjonizowanej postaci gazowego wodoru.
  5. Naciśnij OK, aby uruchomić program. Nie zamykaj okienka pomiaru, ponieważ spowoduje to zatrzymanie pracy przyrządu.
  6. Po ustabilizowaniu się sygnału (1-3 h) odłączyć kapilarnę atm-MS od komory uwodornienia i podłączyć ją do komory elektrochemicznej.
  7. Zapisz dane i zakończ eksperyment, gdy sygnał dla komory elektrochemicznej ustabilizuje się (około 30 minut).
  8. Obliczyć procentową zawartość wodoru przenikającą przez membranę Pd, korzystając z równania 1.

9. Uwodornienie elektrochemiczne

  1. Zmontuj reaktor zgodnie z krokiem 4.
  2. Napełnić komorę elektrochemiczną 24 ml 1 M H2SO4.
  3. Włóż przeciwelektrodę Pt do komory elektrochemicznej przez otwór przeciwelektrody. Podłącz przeciwelektrodę Pt do dodatniego zacisku zasilacza i podłącz membranę Pd do ujemnego zacisku za pomocą taśmy Cu.
  4. Przyłóż prąd galwanostatyczny 25 mA (odpowiada 40 mA/cm2) do ogniwa przez 15 minut. Napięcie będzie wynosić od 3 V do 5 V.
  5. Po upływie 15 minut napełnić komorę chemiczną 24 ml roztworu reakcyjnego (np. 0,01 M propiofenonu w etanolu). Utrzymuj prąd galwanostatyczny podczas dodawania reagentów.
    UWAGA: Pobrać próbkę początkowego roztworu reakcyjnego przed dodaniem go do reaktora. Patrz krok 9.6.
    UWAGA: Propiofenon jest szkodliwy.
  6. Okresowo (np. co 15 minut) pobierać próbki z komplety chemicznej, pobierając 30 μl roztworu reakcyjnego z komory chemicznej za pomocą mikropipety i rozpuszczając próbkę w 1 ml dichlorometanu. Próbki należy przechowywać w fiolkach GC-MS do czasu zakończenia reakcji.
    UWAGA: Dichlorometan jest szkodliwy i stanowi zagrożenie dla zdrowia.

10. Chromatografia gazowa-spektrometria mas

  1. Załaduj fiolki z próbkami do tacy z automatycznym pobieraniem próbek.
  2. Uruchom oprogramowanie GC-MS, klikając zieloną ikonę Masshunter.
  3. Kliknij Sekwencja | Edytuj sekwencję, aby otworzyć okno edycji sekwencji. Wprowadź do wykresu żądane nazwy próbek, fiolkę (pozycję w zasobniku automatycznego próbkowania), ścieżkę metody, plik metody, ścieżkę danych i plik danych. Ustaw typ próbki na "próbka", a rozcieńczenie na 1 i upewnij się, że plik danych jest zgodny z nazwą próbki.
  4. Dostosuj metodę, klikając Metoda | Edytuj całą metodę.
    1. Upewnij się, że zaznaczone są zarówno informacje o metodzie, jak i akwizycja instrumentu. Kliknij OK. Dodaj komentarze metody (w razie potrzeby).
    2. Upewnij się, że akwizycja danych i analiza danych są sprawdzone. Pozostaw co drugie pole puste. Kliknij OK.
    3. Upewnij się, że wlot próbki jest ustawiony na GC, a źródło wtrysku jest ustawione na GC ALS. Zaznacz pole Użyj MS. Upewnij się, że położenie wlotu jest ustawione na Przód, a MS jest podłączony do Przodu. Kliknij OK.
  5. Pod klapką Wlot upewnij się, że temperatura grzałki jest ustawiona na 250 °C. Ustaw ciśnienie na 7.2 psi, a przepływ He na 23.1 ml/min.
  6. W zakładce Piekarnik ustaw temperaturę początkową na 50 °C i przytrzymaj przez 1 minutę. Następnie ustaw szybkość narastania na 25 °C/min, a temperaturę na 200 °C i przytrzymaj przez 0 minut. Kliknij OK.
  7. Upewnij się, że żaden z sygnałów wyświetlacza nie jest sprawdzany. Kliknij OK.
  8. Ustaw opóźnienie rozpuszczalnika na 2,50 min. Kliknij OK.
  9. Upewnij się, że wybrane monitory obejmują następujące elementy: temperatura pieca GC, temperatura F na wlocie GC, ciśnienie F na wlocie GC, obliczenie przepływu w kolumnie GC 2, napięcie MS EM, źródło MS MS, quad MS MS. Kliknij OK.
  10. Zapisz metodę pod żądaną nazwą metody.
  11. Rozpocznij sekwencję, klikając Sekwencja | Sekwencja startowa | Uruchom sekwencję.
  12. Po zakończeniu sekwencji view dane, otwierając oprogramowanie Masshunter i klikając nazwę pliku, która została zaprogramowana w kroku 10.3.
  13. Zidentyfikuj szczyty produktu, klikając Spectrum | Raport z przeszukiwania biblioteki w celu porównania uzyskanych widm masowych z bazą danych NIST.
  14. Oblicz względny skład materiałów wyjściowych i produktów, korzystając z równania 2.
    figure-protocol-2 (Równanie 2)
    gdzie A jest składnikiem chemicznym będącym przedmiotem zainteresowania, a n jest liczbą składników zmierzonych za pomocą GC-MS. Przykład jest następujący:
    figure-protocol-3

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

Wyniki

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

Atm-MS służy do pomiaru prądu jonowego wodoru, który jest wytwarzany w reaktorze membranowym. Możemy wykorzystać te pomiary do ilościowego określenia, ile wodoru przenika przez membranę Pd podczas elektrolizy. Najpierw mierzy się wodór wydzielający się z komory uwodornienia (Rysunek 3, po lewej stronie przerywanych linii). Gdy sygnał osiągnie stan ustalony, kanał jest przełączany na komorę elektrochemiczną. GazH2 wydzielający się z komory elektrochemicznej jest następnie mierzony do momentu...

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

Dyskusja

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

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

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

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

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

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

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

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

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Elektrochemiczne uwodornianiemembrana palladowapermeacja wodoruchromatografia gazowa sprz ona z spektrometri masatmosferyczna spektrometria masuwodornianie propiofenonuodnawialna energia elektrycznaskalowalno reaktora

Powiązane artykuły