Figura 1. Cluster di nanorod ibrido metallo-semiconduttore che può promuovere reazioni di riduzione fotocatalitiche multiple di elettroni. Il diagramma energetico evidenzia i bordi di banda di CdSe e il livello di Fermi di Au.
Cluster di nanotubi di CdSe con punta d'oro (Au) sono stati sintetizzati dai ricercatori del Center for Nanoscale Materials Nanophotonics Group attraverso la polimerizzazione dei nanotubi guidata dalla saldatura controllata delle punte di Au. È stato scoperto che le nanobarre di CdSe con punta in Au aumentano significativamente l'efficienza per la separazione di carica e la raccolta di elettroni energetici nelle nanoparticelle di Au, portando a un eccezionale miglioramento delle reazioni di riduzione fotocatalitica a più elettroni (MER), anche in soluzioni acquose aerobiche a temperatura ambiente. I risultati rappresentano il primo utilizzo di nanomateriali ibridi metallo-semiconduttore per una fotocatalisi efficiente che coinvolge reazioni a carica multipla.
La figura 1 mostra la nanostruttura proposta, costituito da più nanotubi di CdSe che sono collegati tra loro da una nanoparticella di Au alle loro estremità. I nanotubi di CdSe fungono da antenne per una raccolta efficiente di fotoni per creare stati energetici separati dalla carica nei nanotubi di CdSe, mentre la nanoparticella di Au funge da serbatoio di elettroni per la raccolta di elettroni energetici generati dagli stati a carica separata. Sotto fotoilluminazione, gli stati a carica separata in ciascuna forma di nanobarra di CdSe e gli elettroni energetici risultanti vengono trasferiti alla nanoparticella di Au.
Di conseguenza, il numero e la densità degli elettroni energetici accumulati nella nanoparticella di Au è superiore a quello formato nella singola nanobarra di CdSe con punta di Au nello stesso tempo. La sintesi è realizzata attraverso la polimerizzazione delle nanobarre di CdSe a punta singola di Au sfruttando la saldatura spontanea delle punte di Au in condizioni appropriate (vedi Figura 2).
Per valutare le prestazioni nelle reazioni MER fotocatalitiche, il blu di metilene (MB) è stato selezionato come indicatore redox modello in soluzione acquosa. Le molecole MB sono state ridotte fotocataliticamente con l'assistenza dei nanotubi di CdSe con punta in Au in un ambiente ambientale (cioè, la soluzione è satura di aria). Le molecole MB sono state completamente ridotte in solo 1 ora ed è stata determinata la cinetica di reazione del primo ordine del MER.
Figura 2. Immagini TEM di (a) i nanotubi di CdSe sintetizzati, (b) nanotubi di CdSe con punta in Au e ciascun nanorod con un singolo nanocristallo di Au, e (c) cluster di nanotubi di CdSe con punta in Au. (d) Immagini TEM ingrandite di singoli cluster di nanotubi di CdSe con punta in Au mostrati in (c), evidenziando il diverso numero (n) di nanotubi di CdSe in ciascun cluster. Le barre della scala nell'inserto di (b) e le cornici di (d) corrispondono a 5 e 20 nm, rispettivamente.
