A*STAR-forskare har utfört teoretiska beräkningar för att förklara varför halvledarmikrosfärer inbäddade med metallnanopartiklar är så bra på att använda solljus för att katalysera reaktioner.

Fotokatalysatorer påskyndar kemiska reaktioner genom att absorbera ljus från solen och använda energin för att driva reaktioner på deras ytor. De är attraktiva för miljövänliga applikationer som att generera väte från vatten och bryta ned föroreningar. Experimentella studier har visat att mikrosfärer tillverkade av metalloxidhalvledare och inbäddade i metallnanopartiklar är särskilt effektiva fotokatalysatorer, men forskare har varit osäkra på varför det var så.

Nu, Ping Bai och hans kollegor vid A*STAR Institute of High Performance Computing i Singapore har utfört datasimuleringar som avslöjar vad som gör dessa strukturer till så effektiva fotokatalysatorer. Deras studie ger också forskare användbara riktlinjer för att designa plasmoniska fotokatalysatorer.

Bai och hans kollegor använde en allmänt använd beräkningsteknik känd som finita elementmetoden för att analysera hur ljus interagerar med en halvledarmikropartikel som innehåller en enda metallnanopartikel. Deras analys visade att brytningsindexskillnaden mellan halvledaren och det katalytiska mediet skapar ett interferensmönster i halvledarmikropartikeln. Denna interferens ökar ljusabsorptionen av de inbäddade metallnanopartiklarna som ett resultat av plasmonresonans (se bild).

Som en konsekvens, mikrosfärerna med inbäddade metallnanopartiklar driver kemiska reaktioner genom att utnyttja solenergin mycket mer effektivt än andra vanliga fotokatalysatorstrukturer. "Bredbandsabsorptionsförbättringen finns överallt inuti mikrosfärerna, "förklarar Bai, "och den maximala förbättringen kan vara hundra gånger större än metallnanopartiklar eller fotokatalysatorer med små kärnskal." Detta förklarar deras överlägsna katalytiska hastigheter uppmätta i tidigare experiment.

Förutom att förklara tidigare experimentella fynd, analysen kan också användas för att informera om utformningen av fotokatalysatorer. Särskilt, det tyder på att användning av halvledare med högre brytningsindex kommer att maximera bredbandsabsorptionen som induceras av interferensen, samtidigt som en blandning av olika plasmoniska nanopartiklar möjliggör flexibel energiskörd och ökad selektivitet. Till sist, fynden antyder också att lokalisering av metallnanopartiklarna nära mikrosfärernas ytor kommer att öka den katalytiska hastigheten som en konsekvens av den mycket korta räckvidden av plasmonnära fält.

Bai och hans team försöker nu slå sig samman med andra som arbetar på fältet. "Vårt nästa steg är att leta efter slutanvändare och experimentella samarbetspartners att designa, optimera och tillverka speciella fotokatalysatorer, säger Bai.