Udnyttelse af sollys med halvledermikrosfærer, der indeholder metal -nanopartikler

A*STAR -forskere har udført teoretiske beregninger for at forklare, hvorfor halvledermikrosfærer indlejret i metal -nanopartikler er så gode til at bruge sollys til at katalysere reaktioner.

Fotokatalysatorer fremskynder kemiske reaktioner ved at absorbere lys fra solen og bruge energien til at drive reaktioner på deres overflader. De er attraktive til miljøvenlige applikationer, såsom at generere brint fra vand og nedbryde forurenende stoffer. Eksperimentelle undersøgelser har vist, at mikrosfærer fremstillet af metaloxidhalvledere og indlejret i metalnanopartikler er særligt effektive fotokatalysatorer, men forskere har været usikre på, hvorfor det var tilfældet.

Nu, Ping Bai og hans kolleger ved A*STAR Institute of High Performance Computing i Singapore har udført computersimuleringer, der afslører, hvad der gør disse strukturer til så effektive fotokatalysatorer. Deres undersøgelse giver også forskere nyttige retningslinjer for design af plasmoniske fotokatalysatorer.

Bai og hans kolleger brugte en almindeligt anvendt beregningsteknik kendt som finite element -metoden til at analysere, hvordan lys interagerer med en halvledermikropartikel, der indeholder en enkelt metal -nanopartikel. Deres analyse afslørede, at brydningsindeksforskellen mellem halvlederen og det katalytiske medium skaber et interferensmønster inden i halvledermikropartiklen. Denne interferens forbedrer lysabsorberingen af ​​de indlejrede metal -nanopartikler som følge af plasmonresonans (se billede).

Som en konsekvens, mikrosfærerne med indlejrede metal -nanopartikler driver kemiske reaktioner ved at udnytte solenergi meget mere effektivt end andre almindeligt anvendte fotokatalysatorstrukturer. "Forbedringen af ​​bredbåndsabsorption findes overalt inde i mikrosfærerne, "forklarer Bai, "og den maksimale forbedring kan være hundrede gange større end metal nanopartikler eller små kerne -shell fotokatalysatorer." Dette forklarer deres overlegne katalytiske hastigheder målt i tidligere forsøg.

Ud over at forklare tidligere eksperimentelle fund, analysen kan også bruges til at informere designet af fotokatalysatorer. I særdeleshed, det tyder på, at brug af halvledere med højere brydningsindeks vil maksimere bredbåndsabsorberingen forårsaget af interferensen, mens brug af en blanding af forskellige plasmoniske nanopartikler muliggør fleksibel energihøstning og forbedret selektivitet. Endelig, fundene indebærer også, at lokalisering af metal -nanopartikler tæt på overfladerne af mikrosfærerne vil øge den katalytiske hastighed som en konsekvens af den meget korte rækkevidde af plasmon nærfeltet.

Bai og hans team søger nu at gå sammen med andre, der arbejder i feltet. "Vores næste trin er at lede efter slutbrugere og eksperimentelle samarbejdspartnere til at designe, optimere og fremstille særlige fotokatalysatorer, "siger Bai.