A*STAR-forskare har skapat en "prospektörsguide" för att hjälpa forskare att hitta de bästa germanium–kisel nanotrådarna för att katalysera viktiga renenergireaktioner.

Använda solljus för att dela vatten i dess beståndsdelar, eller för att omvandla koldioxid till kolmonoxid eller kolväten, är bland de mest hållbara metoderna för att minska utsläppen av växthusgaser. För att förverkliga sin potential, båda reaktionerna med ren energi kräver katalysatorer.

Kisel är fördelaktigt eftersom dess egenskaper är väl studerade och det är ett rikligt material, men "bandgapet" mellan dess lednings- och valensband är för smalt för att effektivt katalysera dessa reaktioner. Denna brist kan övervinnas på två sätt:genom att "nanosize" kisel eller genom att experimentera med olika legeringar av kisel.

Nu, Teck Leong Tan och Man-Fai Ng vid A*STAR Institute of High Performance Computing har använt datorsimuleringar för att utforska effekten av att variera diametern på germanium–kisel nanotrådar och även förhållandet mellan kisel och germanium på legeringens katalytiska egenskaper. .

Förklara syftet med studien, Tan säger, "Vi trodde att genom att variera både nanotrådsdiametern och legeringssammansättningen, vi skulle kunna generera ett större designutrymme för att konstruera ett material med det optimala bandgapet och bandstrukturerna för att fotokatalysera rena energireaktioner som solvattenspjälkning och koldioxidreduktion."

Paret kombinerade tre etablerade beräkningsmetoder för att utföra sina beräkningar:densitetsfunktionsteori, klusterexpansion och Monte Carlo-simuleringar. Även om denna kombination av tekniker har använts tidigare, forskarna upptäckte en enkel korrelation som gjorde det möjligt för dem att förutsäga bandgap korrekt med enklare beräkningsmetoder. Detta minskade beräkningskostnaden avsevärt, vilket gör det möjligt att screena fler legerade nanostrukturer än vanligt.

Resultaten tyder på att germanium–kisel nanotrådar med diametrar på tre nanometer eller mindre är lämpliga fotokatalysatorer för både vattenklyvning och koldioxidreduktion. Deras beräkningar förutspår också att nanotrådar med asymmetriska kärna-skalstrukturer (se bild) kommer att vara mer effektiva än de med konventionella symmetriska. Till sist, nanotrådar med diametrar mellan 2 och 3 nanometer bör ha bandgap som är väl anpassade till spektrumet av solljus, vilket gör dem till effektiva lättskördare.

Enligt Tan, detta visar att "kombinationen av de tre teknikerna ger en kraftfull metodik för högkapacitetsscreening av legeringsnanostrukturer för önskvärda egenskaper. Den kan anpassas till andra tillämpningar för att påskynda upptäckten av nya material."

De två forskarna är ivriga att samarbeta med experimentalister för att bekräfta förutsägelserna som genereras av deras beräkningar. De avser också att tillämpa tekniken på andra lovande nanotrådslegeringar av halvledartyp.