Produção e Utilização de Hidrogênio em Reator de Membrana

Alexandra R. Rousseau; Mia D. Stankovic; Curtis P. Berlinguette

doi:10.3791/65098

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Artigo de método

Produção e Utilização de Hidrogênio em Reator de Membrana

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DOI:

10.3791/65098

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10 de março de 2023

Alexandra R. Rousseau^*¹ , Mia D. Stankovic^*² , Curtis P. Berlinguette¹^,²^,³^,⁴

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

Neste artigo

Resumo

Os reatores de membrana permitem a hidrogenação em condições ambientais sem entrada direta de H₂ . Podemos rastrear a produção e utilização de hidrogênio nesses sistemas usando espectrometria de massas atmosféricas (atm-MS) e cromatografia gasosa por espectrometria de massas (GC-MS).

Resumo

A hidrogenação industrial consome ~11 Mt de gás H₂ derivado de fósseis anualmente. Nosso grupo inventou um reator de membrana para contornar a necessidade de usar gás H₂ para a química de hidrogenação. O reator de membrana obtém hidrogênio da água e impulsiona reações usando eletricidade renovável. Neste reator, um pedaço fino de Pd separa um compartimento eletroquímico de produção de hidrogênio de um compartimento de hidrogenação química. O Pd no reator de membrana atua como (i) uma membrana seletiva de hidrogênio, (ii) um cátodo e (iii) um catalisador para hidrogenação. Neste artigo, relatamos o uso de espectrometria de massas atmosféricas (atm-MS) e cromatografia gasosa por espectrometria de massas (GC-MS) para demonstrar que um viés eletroquímico aplicado através de uma membrana de Pd permite hidrogenação eficiente sem entrada direta de H₂ em um reator de membrana. Com atm-MS, medimos uma permeação de hidrogênio de 73%, o que permitiu a hidrogenação de propiofenona a propilbenzeno com 100% de seletividade, medida por GC-MS. Em contraste com a hidrogenação eletroquímica convencional, que é limitada a baixas concentrações de material de partida dissolvido em um eletrólito prótico, a separação física da produção de hidrogênio da utilização no reator de membrana permite a hidrogenação em qualquer solvente ou em qualquer concentração. O uso de altas concentrações e uma ampla gama de solventes é particularmente importante para a escalabilidade do reator e futura comercialização.

Introdução

Reações termoquímicas de hidrogenação são usadas em ~20% de toda a síntese química¹. Essas reações requerem grandes quantidades de gás H 2, que geralmente são derivados de combustíveis fósseis, temperaturas entre 150 °C e 600 °C e pressões de até 200 atm². A hidrogenação eletroquímica é uma maneira atraente de contornar esses requisitos e conduzir reações de hidrogenação usando água e eletricidade renovável³. Para hidrogenação eletroquímica convencional, uma matéria-prima insaturada é dissolvida em um eletrólito prótico em uma célula eletroquímica. Quando um potencial é aplicado à célul....