I ricercatori di A*STAR hanno eseguito calcoli teorici per spiegare perché le microsfere di semiconduttori incorporate con nanoparticelle metalliche sono così brave a utilizzare la luce solare per catalizzare le reazioni.

I fotocatalizzatori accelerano le reazioni chimiche assorbendo la luce del sole e utilizzando l'energia per guidare le reazioni sulle loro superfici. Sono attraenti per applicazioni rispettose dell'ambiente come la generazione di idrogeno dall'acqua e la decomposizione degli inquinanti. Studi sperimentali hanno dimostrato che le microsfere realizzate con semiconduttori di ossido di metallo e incorporate con nanoparticelle metalliche sono fotocatalizzatori particolarmente efficaci, ma i ricercatori sono stati incerti sul perché questo fosse il caso.

Ora, Ping Bai e i suoi colleghi dell'A*STAR Institute of High Performance Computing di Singapore hanno eseguito simulazioni al computer che rivelano ciò che rende queste strutture dei fotocatalizzatori così efficaci. Il loro studio fornisce inoltre agli scienziati linee guida utili per la progettazione di fotocatalizzatori plasmonici.

Bai e i suoi colleghi hanno utilizzato una tecnica computazionale ampiamente utilizzata nota come metodo degli elementi finiti per analizzare come la luce interagisce con una microparticella semiconduttrice contenente una singola nanoparticella metallica. La loro analisi ha rivelato che la differenza dell'indice di rifrazione tra il semiconduttore e il mezzo catalitico crea uno schema di interferenza all'interno della microparticella del semiconduttore. Questa interferenza migliora l'assorbimento della luce delle nanoparticelle metalliche incorporate come risultato della risonanza plasmonica (vedi immagine).

Come conseguenza, le microsfere con nanoparticelle metalliche incorporate guidano le reazioni chimiche sfruttando l'energia solare in modo molto più efficiente rispetto ad altre strutture fotocatalitiche comunemente utilizzate. "Il miglioramento dell'assorbimento della banda larga esiste ovunque all'interno delle microsfere, " spiega Bai, "e il massimo miglioramento può essere cento volte maggiore di quello delle nanoparticelle metalliche o dei piccoli fotocatalizzatori core-shell". Questo spiega i loro tassi catalitici superiori misurati in esperimenti precedenti.

Oltre a spiegare i precedenti risultati sperimentali, l'analisi può essere utilizzata anche per informare la progettazione di fotocatalizzatori. In particolare, suggerisce che l'utilizzo di semiconduttori con indici di rifrazione più elevati massimizzerà l'assorbimento a banda larga indotto dall'interferenza, mentre l'utilizzo di un mix di diverse nanoparticelle plasmoniche consentirà una raccolta flessibile di energia e una maggiore selettività. Finalmente, i risultati implicano anche che posizionare le nanoparticelle metalliche vicino alle superfici delle microsfere aumenterà la velocità catalitica come conseguenza del raggio molto breve del campo vicino del plasmone.

Bai e il suo team stanno ora cercando di unire le forze con altri che lavorano sul campo. "Il nostro prossimo passo è cercare utenti finali e collaboratori sperimentali per progettare, ottimizzare e realizzare particolari fotocatalizzatori, "dice Bai.