Continuous Flow of Acceptorless Dehydrogenation of Liquid Organic Hydrogen Carriers Catalyzed by Heterogeneous Iridium Pincer Complexes

Abstract

Reducing CO2 emissions from combustion of fossil fuels is a big priority around the globe today. Some strategies to minimize air pollution and the increasing greenhouse gas effect are using recyclables and CO2 tax but an energy source replacement from fossil fuels is needed. Renewable energies are a good source of energy, but a stable storage system is required in order to be able to implement this to today’s industry. Since hydrogen is considered to be a clean energy carrier, it’s a great candidate to solve the storage issue. But storage and transportation of hydrogen is both difficult and risky because of its low volumetric density (0.08988 g/L at 1 atm). The Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) system is a promising solution to this issue. The LOHC’s storage and transportation capabilities are compatible as fuel with today’s industrial infrastructure. Previous utilizations of LOHC have been with homogenous catalysts and batch reactors. But with a more improved reactor with continuous flow utilizing a heterogenous catalyst the limitation of substrate boiling points, reaction equilibrium and the need for dilution of the reaction mixture would be eliminated. In this study, a flow reactor with a heterogenous Iridium pincer complex as catalyst is used for dehydrogenation of an alkane (methyl-cyclohexane) and an N-heterocyclic substrate (4-methyl-piperidine) to investigate the different potentials as hydrogen carriers at different reaction conditions such as temperature. To investigate the quality of the produced hydrogen from the flow reactor, a method to collect gas and analyze its quality and quantity will be investigated.

Popular Abstract (Swedish)

Under de senaste åren har växthuseffekten växt och ökat i en otrolig fart som en effekt av allt koldioxidutsläpp som genereras av förbränning av fossila bränslen i dagens industri. Det har bidragit med att vi har fått klimatförändringar som ökade temperaturer på jordens yta runt om i världen. Ett stort fokus idag runt om i världen är att hitta ett sätt att dra ner på mängden utsläpp av koldioxid. Strategier idag som används för att nå detta mål är koldioxidskatt samt återanvändning av material, men för att få nån form av större påverkan hade en alternativ energikälla behövds för att ersätta fossila bränslen. Förnybara energikällor som vindkraft, vattenkraft och solkraft är bra gröna källor men de är inte tillräckligt stabila för att kunna användas till dagens industri då de fluktuerar som t.ex. solkraft beror på dag och natt cyklar samt om det är molnigt och vindkraft beror på hur starka vindar vi har just då. Så nån form av system för att spara den förnybara energin kommer att behövas för att kunna applicera detta till dagens industri. En bra kandidat för detta är vätgas då den räknas idag som en ren energibärare, men hantering av vätgas är inte enkelt då det är riskfullt och kostsamt att transportera och förvara för att dess densitet är så låg (0.08988 g/L at 1 atm). Liqud Organic Hydrogen Carrier (LOHC) systemet är en lovande lösning på detta problem. Systemet går ut på att med den förnybara energin så produceras vätgas i form av elektrolys där sedan vätet binder sig till den väte bärande molekylen (LOHC) så den kan förvaras i vätskefas med högre densitet. Sedan när energin behöver användas till något, som t.ex. industrin, så dehydrogeneras den väte bärande vätskan och vätet används till att konverteras till energi som sedan kan konsumeras. Därefter kan samma LOHC återanvändas igen i samma cykel för att förvara vätgas. LOHC har högt väte till vikt % vilket innebär att de kan absorbera och bära mycket väte som sedan kan ges bort igen i en katalytisk reaktion utan någon form av förorenande utsläpp. En mycket lovande katalysator för detta uppdrag är pincer-komplex då de kan utsättas för höga temperaturer utan att brytas ner tack vara deras treudds koordination, de kan korrigeras genom att byta ut olika grupper och atomer på dess länkar och donatorer för att öka eller minska elektron densiteten hos metallen i komplexet och de kan även förankras fast till en solid yta vilket gör dem heterogena som ökar deras tillgängliga area yta som påverkar reaktionshastigheten. I denna studie så utför vi denna dehydrogenering av LOHC i ett fortsatt flytande system, vilket innebär att substratet (LOHC) pumpas in i en packad kolonn som sedan värms upp. De producerade väte fattiga substratet och vätgasen pumpas vidare i systemet och lämnar plats för nytt väterikt substrat för att delta i reaktionen. Detta kommer all eliminera den begränsande faktorn av jämvikten i reaktionen samt begränsningen av kokpunkten för substratet, då denna reaktion kan ske i gas fas. Vi har studerat detta system och reaktion med två olika substrat som LOHC, 4-metyl-piperidin och 4-metyl-cyklohexan. Två olika katalysatorer har även att utforskats, [(POCOP)Ir(Etylen)] som har en mer elektron fattig metall i sitt komplex och [(PCP)Ir(Etylen)] som har ett mer elektron rikt. Denna reaktion har även studerats vid olika temperaturer för att se deras påverkan. Resultaten visar på att 4-metyl-piperidin är det substraten som gav högst produktion av vätgas samt att högre temperatur (350 °C) gav högre konversion än lägre temperatur (325 °C). Vätgasens kvalité har även analyserats med Raman metoden och även metoden att drive en bränslecell med den producerade vätgasen, potentialen av 2 V över 4 timmars tid producerades. Båda metoderna visar på att kvalitén på gasen är ren.

• author: Hederstedt, Andreas
• supervisor: Vasudevan Subramaniyan
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMK10 20231
• year: 2023
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Chemistry
• keywords: Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC, green carrier, renewable energy, heterogeneous catalyst, continuous flow, inorganic chemistry
• language: English
• id: 9138584
• date added to LUP: 2023-09-18 12:00:11
• date last changed: 2023-09-18 12:00:11