Det kan låta som en fotbollsmatch efter säsongen för väldigt små spelare, men "nanobowl" har inget med sport att göra och allt med att förbättra sättet att producera biobränslen. Det är förhoppningen från ett team av forskare från Institute for Atom Efficient Chemical Transformations (IACT), ett Energy Frontier Research Center som leds av Argonne National Laboratory (ANL), och inklusive Northwestern University, University of Wisconsin och Purdue University. Teamet använder en skiktningsteknik som utvecklats för tillverkning av mikrochips för att bygga "skålar" i nanoskala (miljarddels meter) som skyddar miniatyrmetallkatalysatorer från de svåra förhållandena vid raffinering av biobränsle. Vidare, storleken, form, och sammansättningen av nanobowls kan enkelt skräddarsys för att förbättra deras funktionalitet och specificitet.

Laget, ledd av Jeffrey Elam, chefskemist på ANL:s division för energisystem, kommer att presentera sin forskning under AVS 59th International Symposium and Exhibition, hålls 28 okt-nov. 2, 2012, i Tampa, Fla.

På senare år har nanopartiklar av metaller som platina, iridium och palladium på metalloxidytor har ansetts vara katalysatorer för att omvandla biomassa – organiskt material från växter som majs, sockerrör och sorghum – till alternativa bränslen så effektivt som möjligt. Tyvärr, under typiska bioraffineringsförhållanden där flytande vatten kan nå temperaturer på 200 grader Celsius (392 grader Fahrenheit) och tryck på 4, 100 kilopascal (600 pund per kvadrattum), de små metallnanopartiklarna kan agglomerera till mycket större partiklar som inte är katalytiskt aktiva. Dessutom, dessa extrema förhållanden kan lösa upp stödet.

"Vi behövde en metod för att skydda katalysatorerna utan att minska deras förmåga att fungera som önskat under bioraffinering, " säger Elam. "Vår lösning var att använda atomlagerdeposition [ALD], en process som vanligen används av halvledarindustrin för att lägga ner enatomtjocka lager av material, att bygga en "nanoskål" runt metallpartikeln."

För att skapa en matris av nanobowls som innehåller aktiva katalysatorer, forskarna använder först ALD för att deponera miljontals metallnanopartiklar (de eventuella nanokatalysatorerna) på en stödyta. Nästa steg är att lägga till en organisk art som bara kommer att binda till metallnanopartiklarna och inte till stödet. Denna organiska "skyddande grupp" fungerar som formen runt vilken nanobowlsna formas.

"Återigen använder ALD, vi lägger lager på lager av ett oorganiskt material som kallas niobia [niobiumpentoxid] runt den skyddande gruppen för att definiera formen på nanobowls i vår matris, " säger Elam. "När den önskade niobiatjockleken har uppnåtts, vi tar bort skyddsgrupperna och lämnar våra metallnanopartiklar skyddade i nanobowls som hindrar dem från att agglomerera. Dessutom, Niobia-beläggningen skyddar substratet från de extrema förhållanden som uppstår under bioraffinering."

Elam säger att själva nanobowls kan göras för att förbättra den övergripande funktionaliteten hos katalysatormatrisen som produceras. "På en viss höjd, vi kan lägga ner ALD-lager av katalytiskt aktivt material i nanobowl-väggarna och skapa en co-katalysator som fungerar tillsammans med nanokatalysatorerna. Också, genom att noggrant välja den organiska skyddsgruppen, vi kan ställa in storleken och formen på nanobowlhåligheterna för att rikta in sig på specifika molekyler i biomassablandningen."

Elam och hans kollegor har visat i laboratoriet att kombinationen nanobowl/nanopartikel kan överleva högtrycket, hög temperatur vattenhaltig miljö för biomassaraffinering. De har också visat storlek och formselektivitet för nanobowl-katalysatorerna. Nästa mål, han säger, är att exakt mäta hur väl katalysatorerna presterar i en verklig biomassaraffineringsprocess.