Può sembrare una partita di calcio post-stagione per giocatori molto piccoli, ma il "nanobowl" non ha nulla a che fare con lo sport e tutto a che fare con il miglioramento del modo in cui vengono prodotti i biocarburanti. Questa è la speranza di un team di scienziati dell'Institute for Atom Efficient Chemical Transformations (IACT), un Energy Frontier Research Center guidato dall'Argonne National Laboratory (ANL), e compresa la Northwestern University, l'Università del Wisconsin e la Purdue University. Il team sta utilizzando una tecnica di stratificazione sviluppata per la produzione di microchip per costruire "ciotole" su nanoscala (miliardesimo di metro) che proteggano i catalizzatori metallici in miniatura dalle dure condizioni della raffinazione dei biocarburanti. Per di più, la dimensione, forma, e la composizione dei nanobowl può essere facilmente adattata per migliorarne la funzionalità e la specificità.
Il gruppo, guidato da Jeffrey Elam, chimico principale della Divisione Sistemi Energetici di ANL, presenterà la sua ricerca durante il 59° Simposio ed Esposizione Internazionale AVS, tenutosi dal 28 ottobre al novembre 2, 2012, a Tampa, Fla.
Negli ultimi anni, nanoparticelle di metalli come platino, l'iridio e il palladio supportati su superfici di ossido metallico sono stati considerati come catalizzatori per convertire la biomassa - materia organica da piante come mais, canna da zucchero e sorgo – in combustibili alternativi nel modo più efficiente possibile. Sfortunatamente, in condizioni tipiche di bioraffinazione in cui l'acqua liquida può raggiungere temperature di 200 gradi Celsius (392 gradi Fahrenheit) e pressioni di 4, 100 kilopascal (600 libbre per pollice quadrato), le minuscole nanoparticelle metalliche possono agglomerarsi in particelle molto più grandi che non sono cataliticamente attive. Inoltre, queste condizioni estreme possono dissolvere il supporto.
"Avevamo bisogno di un metodo per proteggere i catalizzatori senza ridurre la loro capacità di funzionare come desiderato durante la bioraffinazione, " Elam dice. "La nostra soluzione è stata quella di utilizzare la deposizione di strati atomici [ALD], un processo comunemente impiegato dall'industria dei semiconduttori per depositare spessi strati di materiale di un singolo atomo, per costruire una "nanociotola" attorno alla particella di metallo."
Per creare una matrice di nanociotole contenenti catalizzatori attivi, i ricercatori usano prima l'ALD per depositare milioni di nanoparticelle metalliche (gli eventuali nanocatalizzatori) su una superficie di supporto. Il passo successivo è aggiungere una specie organica che si leghi solo alle nanoparticelle metalliche e non al supporto. Questo "gruppo protettivo" organico funge da stampo attorno al quale vengono modellate le nanociotole.
"Ancora usando ALD, depositiamo strato su strato di un materiale inorganico noto come niobia [pentossido di niobio] attorno al gruppo protettivo per definire la forma delle nanociotole nella nostra matrice, " dice Elam. "Una volta raggiunto lo spessore di niobia desiderato, rimuoviamo i gruppi protettivi e lasciamo le nostre nanoparticelle metalliche riparate in nanociotole che impediscono loro di agglomerarsi. Inoltre, il rivestimento in niobia protegge il substrato dalle condizioni estreme incontrate durante la bioraffinazione."
Elam afferma che i nanobowl stessi possono essere realizzati per migliorare la funzionalità complessiva della matrice catalitica prodotta. "A un'altezza specifica, possiamo depositare strati ALD di materiale cataliticamente attivo nelle pareti del nanobowl e creare un co-catalizzatore che funzionerà in tandem con i nanocatalizzatori. Anche, selezionando con cura il gruppo protettivo biologico, possiamo mettere a punto le dimensioni e la forma delle cavità del nanobowl per indirizzare molecole specifiche nella miscela di biomassa".
Elam e i suoi colleghi hanno dimostrato in laboratorio che la combinazione nanobowl/nanoparticelle può sopravvivere all'alta pressione, ambiente acquoso ad alta temperatura di raffinazione della biomassa. Hanno anche dimostrato selettività per dimensioni e forma per i catalizzatori nanobowl. Il prossimo obiettivo, lui dice, consiste nel misurare con precisione le prestazioni dei catalizzatori in un vero processo di raffinazione della biomassa.
