Puede parecer un partido de fútbol de postemporada para jugadores muy pequeños, pero el "nanobowl" no tiene nada que ver con los deportes y sí con la mejora de la forma en que se producen los biocombustibles. Esa es la esperanza de un equipo de científicos del Institute for Atom Efficient Chemical Transformations (IACT), un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía dirigido por el Laboratorio Nacional de Argonne (ANL), e incluida la Universidad Northwestern, la Universidad de Wisconsin y la Universidad Purdue. El equipo está utilizando una técnica de capas desarrollada para la fabricación de microchips para construir "cuencos" a nanoescala (mil millonésimas de metro) que protegen los catalizadores metálicos en miniatura de las duras condiciones del refinado de biocombustibles. Es más, el tamaño, forma, y la composición de los nanobowls se puede adaptar fácilmente para mejorar su funcionalidad y especificidad.

El equipo, dirigido por Jeffrey Elam, químico principal de la División de Sistemas Energéticos de ANL, presentará su investigación durante el 59 ° Simposio y Exposición Internacional de AVS, celebrado del 28 de octubre al 28 de noviembre. 2, 2012, en Tampa, Fla.

En años recientes, nanopartículas de metales como el platino, El iridio y el paladio apoyados sobre superficies de óxido metálico se han considerado como catalizadores para convertir la biomasa - materia orgánica de plantas como el maíz, caña de azúcar y sorgo - en combustibles alternativos de la manera más eficiente posible. Desafortunadamente, en condiciones típicas de biorrefinación donde el agua líquida puede alcanzar temperaturas de 200 grados Celsius (392 grados Fahrenheit) y presiones de 4, 100 kilopascales (600 libras por pulgada cuadrada), las diminutas nanopartículas de metal pueden aglomerarse en partículas mucho más grandes que no son catalíticamente activas. Adicionalmente, estas condiciones extremas pueden disolver el soporte.

"Necesitábamos un método para proteger los catalizadores sin reducir su capacidad para funcionar como se desea durante la biorrefinación, "Dice Elam." Nuestra solución fue utilizar la deposición de capa atómica [ALD], un proceso comúnmente empleado por la industria de los semiconductores para colocar capas gruesas de material de un solo átomo, para construir un 'nanobowl' alrededor de la partícula de metal ".

Para crear una matriz de nano tazones que contengan catalizadores activos, los investigadores primero usan ALD para depositar millones de nanopartículas metálicas (los eventuales nanocatalizadores) sobre una superficie de soporte. El siguiente paso es agregar una especie orgánica que solo se unirá a las nanopartículas metálicas y no al soporte. Este "grupo protector" orgánico sirve como molde alrededor del cual se forman los nano cuencos.

"Nuevamente usando ALD, depositamos capa sobre capa de un material inorgánico conocido como niobia [pentóxido de niobio] alrededor del grupo protector para definir la forma de los nano tazones en nuestra matriz, "Dice Elam." Una vez que se alcanza el grosor de niobia deseado, retiramos los grupos protectores y dejamos nuestras nanopartículas metálicas resguardadas en nanobowls que evitan que se aglomeren. Además, el revestimiento de niobia protege el sustrato de las condiciones extremas que se encuentran durante el biorrefinado ".

Elam dice que los nano tazones en sí se pueden fabricar para mejorar la funcionalidad general de la matriz de catalizador que se está produciendo. "A una altura específica, Podemos colocar capas de ALD de material catalíticamente activo en las paredes del nanobowl y crear un cocatalizador que funcionará en conjunto con los nanocatalizadores. También, seleccionando cuidadosamente el grupo protector orgánico, podemos ajustar el tamaño y la forma de las cavidades del nanobowl para apuntar a moléculas específicas en la mezcla de biomasa ".

Elam y sus colegas han demostrado en el laboratorio que la combinación nanobowl / nanopartícula puede sobrevivir a la alta presión, ambiente acuoso de alta temperatura de refinación de biomasa. También han demostrado selectividad de tamaño y forma para los catalizadores nanobowl. El próximo objetivo, él dice, es medir con precisión qué tan bien se desempeñan los catalizadores en un proceso real de refinación de biomasa.