Figura 1. Grupo de nanobarras híbridas de metal-semiconductor que puede promover reacciones fotocatalíticas de reducción de múltiples electrones. El diagrama de energía resalta los bordes de la banda de CdSe y el nivel de Fermi de Au.
Los investigadores del Centro de Nanofotónica de Materiales del Centro de Nanophotonics Group sintetizaron grupos de nanobarras de CdSe con punta de oro (Au) a través de la polimerización de nanobarras impulsada por la soldadura controlada de las puntas de Au. Se descubrió que las nanovarillas de CdSe con punta de Au aumentan significativamente la eficiencia para la separación de carga y la recolección de electrones energéticos en las nanopartículas de Au, conduciendo a una mejora excepcional en la fotocatalización de reacciones de reducción de múltiples electrones (MER), incluso en soluciones acuosas aeróbicas a temperatura ambiente. Los resultados representan el primer uso de nanomateriales híbridos de metal-semiconductor para una fotocatálisis eficiente que implica reacciones de carga múltiple.
La figura 1 muestra la nanoestructura propuesta, que consta de múltiples nanobarras de CdSe que están unidas entre sí por una nanopartícula de Au en sus extremos. Las nanovarillas de CdSe sirven como antenas para la recolección eficiente de fotones para crear estados energéticos separados por carga en las nanovarillas de CdSe, mientras que la nanopartícula de Au sirve como depósito de electrones para recolectar electrones energéticos generados a partir de los estados de carga separada. Bajo fotoiluminación, estados de carga separada en cada forma de nanovarilla de CdSe y los electrones energéticos resultantes se transfieren a la nanopartícula de Au.
Como resultado, el número y la densidad de electrones energéticos acumulados en la nanopartícula de Au es mayor que el formado en la nanovarilla de CdSe con punta de Au individual en el mismo tiempo. La síntesis se realiza mediante la polimerización de las nanovarillas de CdSe de punta única de Au aprovechando la soldadura espontánea de las puntas de Au en las condiciones adecuadas (ver Figura 2).
Para evaluar el desempeño en reacciones MER fotocatalíticas, Se seleccionó azul de metileno (MB) como modelo de indicador redox en solución acuosa. Las moléculas de MB se redujeron fotocatalíticamente con la ayuda de nanobarras de CdSe con punta de Au en un entorno ambiental (es decir, la solución está saturada de aire). Las moléculas de MB se redujeron completamente en solo 1 hora y se determinó la cinética de reacción de primer orden de MER.
Figura 2. Imágenes TEM de (a) las nanovarillas de CdSe sintetizadas, b) nanobarras de CdSe con punta de Au y cada nanovarilla con un solo nanocristal de Au, y (c) grupos de nanobarras de CdSe con punta de Au. (d) Imágenes TEM ampliadas de grupos individuales de nanobarras de CdSe con punta de Au que se muestran en (c), destacando el número diferente (n) de nanobarras de CdSe en cada grupo. Las barras de escala en el recuadro de (b) y los fotogramas de (d) corresponden a 5 y 20 nm, respectivamente.
