Les chercheurs d'A*STAR ont effectué des calculs théoriques pour expliquer pourquoi les microsphères semi-conductrices incrustées de nanoparticules métalliques sont si efficaces pour utiliser la lumière du soleil pour catalyser les réactions.

Les photocatalyseurs accélèrent les réactions chimiques en absorbant la lumière du soleil et en utilisant l'énergie pour provoquer des réactions sur leurs surfaces. Ils sont intéressants pour des applications respectueuses de l'environnement telles que la production d'hydrogène à partir de l'eau et la décomposition des polluants. Des études expérimentales ont montré que les microsphères constituées de semi-conducteurs à oxyde métallique et incrustées de nanoparticules métalliques sont des photocatalyseurs particulièrement efficaces, mais les chercheurs ont été incertains quant à pourquoi c'était le cas.

Maintenant, Ping Bai et ses collègues de l'A*STAR Institute of High Performance Computing à Singapour ont réalisé des simulations informatiques qui révèlent ce qui fait de ces structures des photocatalyseurs si efficaces. Leur étude fournit également aux scientifiques des lignes directrices utiles pour la conception de photocatalyseurs plasmoniques.

Bai et ses collègues ont utilisé une technique de calcul largement utilisée connue sous le nom de méthode des éléments finis pour analyser comment la lumière interagit avec une microparticule semi-conductrice contenant une seule nanoparticule métallique. Leur analyse a révélé que la différence d'indice de réfraction entre le semi-conducteur et le milieu catalytique crée un motif d'interférence au sein de la microparticule semi-conductrice. Cette interférence améliore l'absorption de la lumière des nanoparticules métalliques incrustées en raison de la résonance plasmon (voir image).

En conséquence, les microsphères contenant des nanoparticules métalliques intégrées entraînent des réactions chimiques en exploitant l'énergie solaire beaucoup plus efficacement que les autres structures photocatalytiques couramment utilisées. "L'amélioration de l'absorption à large bande existe partout à l'intérieur des microsphères, " explique Bai, "et l'amélioration maximale peut être cent fois supérieure à celle des nanoparticules métalliques ou des petits photocatalyseurs noyau-coque." Ceci explique leurs vitesses catalytiques supérieures mesurées dans les expériences précédentes.

En plus d'expliquer les résultats expérimentaux précédents, l'analyse peut également être utilisée pour éclairer la conception de photocatalyseurs. En particulier, il suggère que l'utilisation de semi-conducteurs avec des indices de réfraction plus élevés maximisera l'absorption à large bande induite par l'interférence, tandis que l'utilisation d'un mélange de différentes nanoparticules plasmoniques permettra une récolte d'énergie flexible et une sélectivité améliorée. Finalement, les résultats impliquent également que la localisation des nanoparticules métalliques à proximité des surfaces des microsphères augmentera le taux catalytique en raison de la très courte portée du champ proche du plasmon.

Bai et son équipe cherchent maintenant à s'associer à d'autres personnes travaillant sur le terrain. "Notre prochaine étape est de rechercher des utilisateurs finaux et des collaborateurs expérimentaux pour concevoir, optimiser et fabriquer des photocatalyseurs particuliers, " dit Bai.