Cela peut ressembler à un match de football d'après-saison pour de très petits joueurs, mais le « nanobowl » n'a rien à voir avec le sport et tout à voir avec l'amélioration de la façon dont les biocarburants sont produits. C'est l'espoir d'une équipe de scientifiques de l'Institute for Atom Efficient Chemical Transformations (IACT), un Centre de Recherche Energy Frontier dirigé par le Laboratoire National d'Argonne (ANL), et y compris l'Université Northwestern, l'Université du Wisconsin et l'Université Purdue. L'équipe utilise une technique de stratification développée pour la fabrication de micropuces afin de construire des « bols » à l'échelle nanométrique (un milliardième de mètre) qui protègent les catalyseurs métalliques miniatures des conditions difficiles du raffinage des biocarburants. Par ailleurs, la taille, forme, et la composition des nanobols peut facilement être adaptée pour améliorer leur fonctionnalité et leur spécificité.
L'équipe, dirigé par Jeffrey Elam, chimiste principal de la division Systèmes énergétiques d'ANL, présentera ses recherches lors du 59ème Symposium et Exposition International AVS, tenue du 28 octobre au nov. 2, 2012, à Tampa, Floride
Dans les années récentes, des nanoparticules de métaux comme le platine, l'iridium et le palladium supportés sur des surfaces d'oxyde métallique ont été considérés comme des catalyseurs pour convertir la biomasse - la matière organique de plantes telles que le maïs, la canne à sucre et le sorgho – en carburants alternatifs aussi efficacement que possible. Malheureusement, dans des conditions typiques de bioraffinage où l'eau liquide peut atteindre des températures de 200 degrés Celsius (392 degrés Fahrenheit) et des pressions de 4, 100 kilopascals (600 livres par pouce carré), les minuscules nanoparticules métalliques peuvent s'agglomérer en particules beaucoup plus grosses qui ne sont pas catalytiquement actives. En outre, ces conditions extrêmes peuvent dissoudre le support.
"Nous avions besoin d'une méthode pour protéger les catalyseurs sans réduire leur capacité à fonctionner comme souhaité lors du bioraffinage, " dit Elam. "Notre solution était d'utiliser le dépôt de couche atomique [ALD], un procédé couramment utilisé par l'industrie des semi-conducteurs pour déposer des couches épaisses de matériau à un seul atome, pour construire un « nanobowl » autour de la particule métallique. »
Pour créer une matrice de nanobols contenant des catalyseurs actifs, les chercheurs utilisent d'abord l'ALD pour déposer des millions de nanoparticules métalliques (les éventuels nanocatalyseurs) sur une surface de support. L'étape suivante consiste à ajouter une espèce organique qui ne se liera qu'aux nanoparticules métalliques et non au support. Ce « groupe protecteur » organique sert de moule autour duquel les nanobols sont façonnés.
"En utilisant à nouveau ALD, nous déposons couche après couche d'un matériau inorganique appelé niobia [pentoxyde de niobium] autour du groupe protecteur pour définir la forme des nanobols dans notre matrice, " dit Elam. " Une fois que l'épaisseur de niobia désirée est atteinte, nous enlevons les groupements protecteurs et laissons nos nanoparticules métalliques à l'abri dans des nanobols qui les empêchent de s'agglomérer. En outre, le revêtement en niobia protège le substrat des conditions extrêmes rencontrées lors du bioraffinage."
Elam dit que les nanobols eux-mêmes peuvent être fabriqués pour améliorer la fonctionnalité globale de la matrice de catalyseur produite. "A une hauteur donnée, nous pouvons déposer des couches ALD de matériau catalytiquement actif dans les parois du nanobol et créer un co-catalyseur qui fonctionnera en tandem avec les nanocatalyseurs. Aussi, en sélectionnant soigneusement le groupe protecteur organique, nous pouvons ajuster la taille et la forme des cavités du nanobol pour cibler des molécules spécifiques dans le mélange de biomasse."
Elam et ses collègues ont montré en laboratoire que la combinaison nanobol/nanoparticules peut survivre à la haute pression, environnement aqueux à haute température de raffinage de la biomasse. Ils ont également démontré une sélectivité de taille et de forme pour les catalyseurs de nanobol. Le prochain objectif, il dit, est de mesurer avec précision les performances des catalyseurs dans un processus de raffinage de la biomasse réel.
