Het klinkt misschien als een voetbalwedstrijd na het seizoen voor heel kleine spelers, maar de "nanobowl" heeft niets te maken met sport en alles met het verbeteren van de manier waarop biobrandstoffen worden geproduceerd. Dat is de hoop van een team van wetenschappers van het Institute for Atom Efficient Chemical Transformations (IACT), een Energy Frontier Research Center onder leiding van Argonne National Laboratory (ANL), en met inbegrip van de Northwestern University, de Universiteit van Wisconsin en de Purdue University. Het team gebruikt een gelaagdheidstechniek die is ontwikkeld voor de productie van microchips om nanoschaal (miljardste van een meter) "kommen" te bouwen die miniatuurmetaalkatalysatoren beschermen tegen de barre omstandigheden van de raffinage van biobrandstoffen. Verder, de grootte, vorm, en de samenstelling van de nanobowls kan eenvoudig worden aangepast om hun functionaliteit en specificiteit te verbeteren.

Het team, onder leiding van Jeffrey Elam, hoofdchemicus bij ANL's Energy Systems Division, zal haar onderzoek presenteren tijdens het AVS 59th International Symposium and Exhibition, gehouden 28 oktober-nov. 2, 2012, in Tampa, fla.

In recente jaren, nanodeeltjes van metalen zoals platina, iridium en palladium op metaaloxide-oppervlakken zijn beschouwd als katalysatoren om biomassa om te zetten – organisch materiaal van planten zoals maïs, suikerriet en sorghum – zo efficiënt mogelijk omzetten in alternatieve brandstoffen. Helaas, onder typische bioraffinageomstandigheden waar vloeibaar water temperaturen van 200 graden Celsius (392 graden Fahrenheit) en een druk van 4 kan bereiken, 100 kilopascal (600 pond per vierkante inch), de kleine metalen nanodeeltjes kunnen agglomereren tot veel grotere deeltjes die niet katalytisch actief zijn. Aanvullend, deze extreme omstandigheden kunnen de ondersteuning ontbinden.

"We hadden een methode nodig om de katalysatoren te beschermen zonder hun vermogen om naar wens te functioneren tijdens bioraffinage te verminderen, " zegt Elam. "Onze oplossing was om atomaire laagafzetting [ALD] te gebruiken, een proces dat gewoonlijk wordt gebruikt door de halfgeleiderindustrie om dikke lagen materiaal van één atoom aan te brengen, om een ​​'nanokom' rond het metaaldeeltje te bouwen."

Om een ​​matrix van nanobowls met actieve katalysatoren te maken, de onderzoekers gebruiken ALD eerst om miljoenen metalen nanodeeltjes (de uiteindelijke nanokatalysatoren) op een drager te deponeren. De volgende stap is het toevoegen van een organische soort die alleen aan de metalen nanodeeltjes bindt en niet aan de drager. Deze organische "beschermende groep" dient als de mal waaromheen de nanobowls worden gevormd.

"Nogmaals met behulp van ALD, we deponeren laag na laag van een anorganisch materiaal dat bekend staat als niobia [niobiumpentoxide] rond de beschermende groep om de vorm van de nanokommetjes in onze matrix te bepalen, "zegt Elam. "Zodra de gewenste niobiadikte is bereikt, we verwijderen de beschermende groepen en laten onze metalen nanodeeltjes beschut in nanokommen die voorkomen dat ze agglomereren. In aanvulling, de niobia-coating beschermt het substraat tegen de extreme omstandigheden tijdens bioraffinage."

Elam zegt dat de nanobowls zelf kunnen worden gemaakt om de algehele functionaliteit van de katalysatormatrix die wordt geproduceerd te verbeteren. "Op een bepaalde hoogte we kunnen ALD-lagen van katalytisch actief materiaal in de wanden van de nanokom plaatsen en een co-katalysator creëren die samenwerkt met de nanokatalysatoren. Ook, door zorgvuldig de organische beschermende groep te selecteren, we kunnen de grootte en vorm van de nanokomholtes afstemmen op specifieke moleculen in het biomassamengsel."

Elam en zijn collega's hebben in het laboratorium aangetoond dat de combinatie nanokom/nanodeeltjes de hogedruk, waterige omgeving op hoge temperatuur van biomassaraffinage. Ze hebben ook de grootte en vorm selectiviteit voor de nanobowl-katalysatoren aangetoond. Het volgende doelpunt, hij zegt, is om precies te meten hoe goed de katalysatoren presteren in een daadwerkelijk biomassaraffinageproces.