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  • Aprovechamiento de la luz solar con microesferas semiconductoras que contienen nanopartículas metálicas

    El análisis del campo eléctrico dentro de una micropartícula semiconductora que contiene una nanopartícula de metal revela una mayor absorción de la luz solar. Crédito:Sociedad Química Estadounidense.

    Los investigadores de A * STAR han realizado cálculos teóricos para explicar por qué las microesferas semiconductoras incrustadas con nanopartículas metálicas son tan buenas para utilizar la luz solar para catalizar reacciones.

    Los fotocatalizadores aceleran las reacciones químicas al absorber la luz del sol y utilizar la energía para impulsar reacciones en sus superficies. Son atractivos para aplicaciones respetuosas con el medio ambiente, como la generación de hidrógeno a partir del agua y la descomposición de contaminantes. Los estudios experimentales han demostrado que las microesferas fabricadas a partir de semiconductores de óxido metálico e incrustadas con nanopartículas metálicas son fotocatalizadores particularmente eficaces. pero los investigadores no están seguros de por qué fue así.

    Ahora, Ping Bai y sus colegas del Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento en Singapur han realizado simulaciones por computadora que revelan qué hace que estas estructuras sean fotocatalizadores tan efectivos. Su estudio también proporciona a los científicos pautas útiles para diseñar fotocatalizadores plasmónicos.

    Bai y sus colegas utilizaron una técnica computacional ampliamente utilizada conocida como método de elementos finitos para analizar cómo la luz interactúa con una micropartícula semiconductora que contiene una sola nanopartícula metálica. Su análisis reveló que la diferencia del índice de refracción entre el semiconductor y el medio catalítico establece un patrón de interferencia dentro de la micropartícula del semiconductor. Esta interferencia mejora la absorción de luz de las nanopartículas metálicas incrustadas como resultado de la resonancia del plasmón (ver imagen).

    Como consecuencia, las microesferas con nanopartículas metálicas incrustadas impulsan las reacciones químicas aprovechando la energía solar de manera mucho más eficiente que otras estructuras fotocatalíticas de uso común. "La mejora de la absorción de banda ancha existe en todas partes dentro de las microesferas, "explica Bai, "y la mejora máxima puede ser cien veces mayor que la de las nanopartículas metálicas o los fotocatalizadores de núcleo-capa pequeña". Esto explica sus velocidades catalíticas superiores medidas en experimentos anteriores.

    Además de explicar los hallazgos experimentales previos, el análisis también se puede utilizar para informar el diseño de fotocatalizadores. En particular, sugiere que el uso de semiconductores con índices de refracción más altos maximizará la absorción de banda ancha inducida por la interferencia, mientras que el uso de una mezcla de diferentes nanopartículas plasmónicas permitirá una recolección de energía flexible y una selectividad mejorada. Finalmente, Los hallazgos también implican que ubicar las nanopartículas metálicas cerca de las superficies de las microesferas aumentará la velocidad catalítica como consecuencia del rango muy corto del campo cercano del plasmón.

    Bai y su equipo ahora buscan unir fuerzas con otros que trabajan en el campo. "Nuestro siguiente paso es buscar usuarios finales y colaboradores experimentales para diseñar, optimizar y fabricar fotocatalizadores particulares, "dice Bai.


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