Artificial photosynthesis - 4-Aminobenzoic acids effect on charge transfer in a photo catalytic system

• Main Author: Moberg, Simon
• Format: Others
• Language: English
• Published: Uppsala universitet, Materialteori 2019
• Subjects: artificial photosynthesis; aminobenzoic acid; charge transfer; plasmon; induced; plasmon induced; nanostructure; nanostructures; solar energy; nano particles; nano particle; artificiell fotosyntes; aminobensoesyra; laddningsöverföring; inducerad; plasmoninducerad; nanostruktur; nanostrukturer; solenergi; nanopartiklar; nanopartikel; Atom and Molecular Physics and Optics; Atom- och molekylfysik och optik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-390835

Artificial photosynthesis is used to harvest solar energy and store it in the form of chemical bonds. The system of interest in this study does this by splitting water into hydrogen and oxygen gas through a plasmon assisted process, collective oscillations from free electron gas. This is a renewable way to store energy that could be used as an alternative to fossil based fuel. In this study, a small part of this photo catalytic system is studied, namely the interaction between plasmonically active silver nanoparticles (Ag NPs) transferring photo-excited electrons via a linker molecule, 4-aminobenzoic acid (pABA). The pABA linker molecule transfers charge from the Ag surface to a semiconductor and a catalyst performing the water splitting. The pABA can bind in different ways onto the Ag-surface and the aim of this study is to examine which bond is strongest and which best enables charge transfer. To this purpose three systems where simulated quantum mechanically using a supercomputer. The total free energy of the systems was computed and compared. Out of the three studied binding sites, the hollow-site bond (pABA binding to three silver atoms) was found to have the lowest energy, meaningit's the strongest of the possible bonds. Additionally it was found that the band gap (the energy needed to transfer charge) for the pABA decreased when bound to the Ag-surface. The hollow-site bound pABA also had the smallest band gap, meaning it requires the least energy to transfer a charge and should therefore be the best bond fitted for the photo catalytic system. === Artificiell fotosyntes används för att absorbera solenergi och förvara den i formen av kemiska bindningar. Systemet som används i denna studie gör detta genom att splittra vatten till vätgas och syrgas genom en plasmon assisterad process. Detta är ett förnyelsebart sätt att förvara energi och kan användas som ett alternativ till fossila bränslen. I denna studie studeras en liten del utav detta fotokatalytiska system nämligen interaktionen där plasmonaktiva silvernanopartiklar (Ag NPs) överför foto-exciterade elektroner genom molekyllänken 4-aminobensoesyra (pABA). Molekyllänken pABA överför laddning från silverytan till en halvledare och en katalys som utför splittringen av vattnet. pABA kan binda på olika sätt tillen silveryta och denna studie syftar till att undersöka vilken utav bindningarna som är starkast och vilken som effektivast överför laddning. För att göra detta simulerades tre system kvantmekaniskt med hjälp av en superdator, ett system för varje sorts bindning. Den totala fria energin av systemen beräknades och jämfördes. Av de tre undersökta bindningarna hadehollow-site bindningen (pABA som binder till tre silveratomer) längst energi, vilket betyder att det är den starkaste av bindningarna. Utöver detta så visade det sig att bandgapet (energin som krävs för att överföra laddning) minskade för pABA när den var bunden till Ag-ytan. Hollow-site bundet pABA hade även minst bandgap, vilket betyder att den kräver minst energi för att överföra laddning och är därmed den mest effektiva bindningen för det fotokatalytiska systemet.