Forskere bygger nanobowls for at beskytte de katalysatorer, der er nødvendige for bedre produktion af biobrændstof

Det kan lyde som en fodboldkamp efter sæsonen for meget små spillere, men "nanobowl" har intet at gøre med sport og alt at gøre med at forbedre måden biobrændstoffer produceres på. Det er håbet fra et team af forskere fra Institute for Atom Efficient Chemical Transformations (IACT), et Energy Frontier Research Center ledet af Argonne National Laboratory (ANL), og herunder Northwestern University, University of Wisconsin og Purdue University. Holdet bruger en lagdelingsteknik udviklet til fremstilling af mikrochips til at bygge nanoskala (milliardtedel af en meter) "skåle", der beskytter miniature metalkatalysatorer mod de barske forhold ved raffinering af biobrændstof. Desuden, størrelsen, form, og sammensætningen af ​​nanobowls kan nemt skræddersyes til at forbedre deres funktionalitet og specificitet.

Holdet, ledet af Jeffrey Elam, ledende kemiker i ANL's Energy Systems Division, vil præsentere sin forskning under AVS 59th International Symposium and Exhibition, afholdt 28. okt.-nov. 2, 2012, i Tampa, Fla.

I de seneste år, nanopartikler af metaller såsom platin, iridium og palladium understøttet på metaloxidoverflader er blevet betragtet som katalysatorer til at omdanne biomasse – organisk materiale fra planter som majs, sukkerrør og sorghum - til alternative brændstoffer så effektivt som muligt. Desværre, under typiske bioraffineringsforhold, hvor flydende vand kan nå temperaturer på 200 grader Celsius (392 grader Fahrenheit) og tryk på 4, 100 kilopascal (600 pund pr. kvadrattomme), de bittesmå metalnanopartikler kan agglomerere til meget større partikler, som ikke er katalytisk aktive. Derudover disse ekstreme forhold kan opløse støtten.

"Vi havde brug for en metode til at beskytte katalysatorerne uden at reducere deres evne til at fungere som ønsket under bioraffinering, " siger Elam. "Vores løsning var at bruge atomlagsaflejring [ALD], en proces, der almindeligvis anvendes af halvlederindustrien til at nedlægge enkeltatom-tykke lag af materiale, at bygge en 'nanobowl' omkring metalpartiklen."

For at oprette en matrix af nanobowls indeholdende aktive katalysatorer, forskerne bruger først ALD til at deponere millioner af metal -nanopartikler (de eventuelle nanokatalysatorer) på en støtteflade. Det næste trin er at tilføje en organisk art, der kun vil binde sig til metalnanopartiklerne og ikke til understøtningen. Denne organiske "beskyttelsesgruppe" fungerer som formen, som nanobøllerne er formet omkring.

"Igen bruger ALD, vi aflejrer lag på lag af et uorganisk materiale kendt som niobia [niobium pentoxid] omkring den beskyttende gruppe for at definere formen af ​​nanobowls i vores matrix, " siger Elam. "Når den ønskede niobietykkelse er nået, vi fjerner beskyttelsesgrupperne og efterlader vores metalnanopartikler i læ i nanobowls, der forhindrer dem i at agglomerere. Ud over, niobia -belægningen beskytter substratet mod de ekstreme forhold, man støder på under bioraffinering. "

Elam siger, at nanobowls selv kan laves for at forbedre den overordnede funktionalitet af den katalysatormatrix, der produceres. "I en bestemt højde, vi kan lægge ALD-lag af katalytisk aktivt materiale ned i nanobowl-væggene og skabe en co-katalysator, der vil arbejde sammen med nanokatalysatorerne. Også, ved omhyggeligt at udvælge den organiske beskyttelsesgruppe, vi kan justere størrelsen og formen af ​​nanobowl-hulrummene for at målrette specifikke molekyler i biomasseblandingen."

Elam og hans kolleger har på laboratoriet vist, at kombinationen nanobowl/nanopartikel kan overleve højtrykket, højtemperatur vandigt miljø for biomasseraffinering. De har også demonstreret størrelse og form selektivitet for nanobowl katalysatorer. Det næste mål, han siger, er at måle præcist, hvor godt katalysatorerne klarer sig i en egentlig biomasseraffineringsproces.