$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Termokimyasal hidrojenasyon reaksiyonları, tüm kimyasal sentezlerin ~% 20'sinde kullanılır1. Bu reaksiyonlar, genellikle fosil yakıtlardan, 150 ° C ile 600 ° C arasındaki sıcaklıklardan ve 200atm 2'ye kadar basınçlardan türetilen büyük miktarlardaH2 gazı gerektirir. Elektrokimyasal hidrojenasyon, bu gereksinimleri atlamak ve su ve yenilenebilir elektrik kullanarak hidrojenasyon reaksiyonlarını sürdürmek için çekici bir yoldur3. Geleneksel elektrokimyasal hidrojenasyon için, doymamış bir hammadde, bir elektrokimyasal hücredeki protik bir elektrolit içinde çözülür. Hücreye bir potansiyel uygulandığında, anotta su oksidasyonu meydana gelirken, katotta hidrojenasyon meydana gelir. Bu reaksiyon kurulumunda, hem elektrokimyasal su oksidasyonu hem de kimyasal hidrojenasyon aynı reaksiyon ortamında gerçekleşir. Organik substrat, hem elektrokimyasal suyun ayrılmasını hem de hammaddenin hidrojenasyonunu sağlamak için protik bir elektrolit içinde çözülür. Bu reaksiyonların yakınlığı, reaktan nükleofilik saldırıya duyarlı olduğunda veya reaktans konsantrasyonu çok yüksek olduğunda (>0,25 M)4 yan ürün oluşumuna ve elektrot kirlenmesine neden olabilir.
Bu zorluklar grubumuzu hidrojenasyon reaksiyonlarını elektrokimyasal olarak yönlendirmenin alternatif yollarını araştırmaya yöneltti 5,6,7. Bu araştırma, geleneksel olarak hidrojen gazı ayırma8'de kullanılan bir Pd membranının kullanılmasıyla sonuçlandı. Elektrokimyasal reaktör tarafında su elektrolizi için bir elektrot olarak kullanıyoruz. Bir paladyum membranının bu yeni uygulaması, elektrokimyasal su oksidasyon bölgesinin kimyasal hidrojenasyon bölgesinden fiziksel olarak ayrılmasını sağlar. Ortaya çıkan reaktör konfigürasyonunun iki bölmesi vardır: 1) hidrojen üretimi için bir elektrokimyasal bölme; ve 2) hidrojenasyon için kimyasal bir bölme (Şekil 1). Protonlar, elektrokimyasal bölmede, Pt anot ve aynı zamanda katot görevi gören Pd membranı boyunca bir potansiyel uygulanarak üretilir. Bu protonlar daha sonra Pd membranına göç eder ve burada yüzey adsorbe edilmiş hidrojen atomlarına indirgenirler. Elektrokimyasal bölme, bu proton göçünü kolaylaştırmak için isteğe bağlı bir katyon değişim zarı içerecek şekilde alt bölümlere ayrılabilir. Yüzey adsorbe edilmiş hidrojen atomları, Pd fcc kafes9'un interstisyel oktahedral bölgelerine nüfuz eder ve hidrojenasyon bölmesindeki zarın karşı yüzünde ortaya çıkar ve burada hidrojene ürünler oluşturmak için belirli bir hammaddenin doymamış bağları ile reaksiyona girerler 7,10,11,12,13,14,15,16. Bu nedenle, membran reaktöründeki Pd, (i) hidrojen seçici bir membran, (ii) bir katot ve (iii) hidrojenasyon için bir katalizör görevi görür.

Resim 1: Bir membran reaktöründe hidrojenasyon. Anottaki su oksidasyonu, paladyum katotu üzerinde indirgenen protonlar üretir. H, Pd membranından nüfuz eder ve propilbenzen oluşturmak için propiofenon ile reaksiyona girer. Hidrojen evrimi, paladyum zarının her iki tarafında da meydana gelebilecek rakip bir reaksiyondur. Atmosferik kütle spektrometresi için, H'nin reaktörü elektrokimyasal veya hidrojenasyon bölmelerindeH2 gazı şeklinde bırakmasını gerektiren hiçbir kimyasal hammadde kullanılmaz. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Membran reaktörü, bir elektrokimyasal H hücresi12'nin anot ve katot bölmeleri arasına bir Pd membranı sandviç ile monte edilir. Kimyasal maddelere dayanıklı O-ringler, membranı yerine sabitlemek ve sızdırmaz bir sızdırmazlık sağlamak için kullanılır. Membran reaktörünün elektrokimyasal bölmesi, hidrojen bakımından zengin bir sulu çözelti içerir. Bu çalışmada 1 M H2SO4 ve 5cm2 parça platin ağ içine sarılmış bir Pt telinden oluşan bir anot kullanılmıştır. Anot, elektrokimyasal bölmenin üstündeki bir delikten elektrolit çözeltisine batırılır. Kimyasal hidrojenasyon bölmesi bir çözücü ve hidrojenasyon hammaddesi 7,10,11,12,16,17 içerir. H hücresi bölmesinin üstündeki delik, örnekleme için kullanılır. Burada gösterilen deneyler, hidrojenasyon yemi olarak etanolde 0.01 M propiofenon kullanmaktadır. Bununla birlikte, başlangıç materyali (ve konsantrasyonu) deneysel ihtiyaçlara uyacak şekilde değiştirilebilir. Örneğin, uzun bir hidrokarbon zinciri ve bir alkin fonksiyonel grubu içeren bir başlangıç malzemesi, çözünürlüğü artırmak için pentan içinde çözülebilir11. Reaksiyon için uygulanan akım 5 mA/cm2 ile 300 mA/cm2 arasında olabilir. Tüm reaksiyonlar ortam sıcaklığı ve basıncı altında gerçekleştirilir.
Atmosferik kütle spektrometresi (atm-MS), hidrojenasyon bölmesi11,12'ye nüfuz eden elektrokimyasal bölmedeki hidrojen yüzdesini ölçmek için kullanılır. Bu ölçüm, membran reaktörü için gerekli enerji girdilerini anlamak için önemlidir, çünkü mümkün olan maksimum hidrojen kullanımını (yani, üretilen hidrojenin ne kadarının aslında hidrojenasyon reaksiyonları için kullanılabileceğini) ortaya koymaktadır. Pd membranından hidrojen geçirgenliği, hem elektrokimyasal hem de hidrojenasyon bölmelerinden11,12 gelişenH2 miktarı ölçülerek hesaplanır. % 100'lük bir geçirgenlik değeri, elektrokimyasal bölmede üretilen tüm hidrojenin Pd membranından hidrojenasyon bölmesine taşındığı ve daha sonra hidrojen gazı oluşturmak üzere birleştiği anlamına gelir. % <100'lük bir geçirgenlik değeri, membrandan nüfuz etmeden önce elektrokimyasal bölmede hidrojen evriminin meydana geldiği anlamına gelir. H2, elektrokimyasal veya hidrojenasyon bölmesinden üretildiğinden, cihaza girer veH2+'ya iyonize edilir. Kuadrupol, m / z = +2 parçalarını seçer ve karşılık gelen yük dedektör tarafından ölçülür. Bu teknikle elde edilen arsa, zaman içindeki iyonik yüktür. İyonik yük önce hidrojenasyon bölmesi için ölçülür ve sinyal stabilize olduğunda, elektrokimyasal bölmeyi ölçmek için kanallar değiştirilir. Hidrojen geçirgenliği, hidrojenasyon bölmesindeki ortalama iyonik yükün, reaktörde ölçülen toplam iyonik yüke bölünmesiyle hesaplanır (Denklem 1)11,12. Hidrojen geçirgenliğini hesaplamak için, hidrojenasyon ve elektrokimyasal bölmelerden gelenH2, atm-MS kullanılarak ayrı ayrı ölçülür.
(Ek. 1)
Gaz kromatografisi kütle spektrometresi (GC-MS), hidrojenasyon reaksiyonunun ilerlemesini izlemek için kullanılır12,14,15,16. Örneğin veri toplamak için, reaktörün hidrojenasyon bölmesi etanol içinde 0.01 M propiofenon ile doldurulur. Pt anot ve Pd katot boyunca bir potansiyel uygulanarak, hidrojenasyon bölmesine reaktif hidrojen verilir. Reaktif hidrojen atomları daha sonra doymamış hammaddeyi hidrojene eder ve ürünler, numunenin parçalandığı ve iyonize edildiği GC-MS kullanılarak nicelleştirilir. Bu parçaların kütlesini analiz ederek, hidrojenasyon çözeltisinin bileşimi belirlenebilir ve reaksiyon hızları 12,14,15,16 hesaplanabilir.