Plasmonic substrates comprising gold nanostars efficiently regenerate cofactor molecules

Abstract

The light harvesting capacity of plasmonic nanoparticles is a fundamental feature for catalysing chemical reactions close to their surface. The efficiency of the photochemical processes depends not only on the geometrical aspects on a single particle level but also on the complexity of the multiparticle architectures. Although, the effect of the particle geometry is progressively understood in the relevant photochemical processes (water splitting and hydrogen evolution), there are experimental and theoretical needs for understanding the role of the shape in the multiparticle systems in the photocatalytic processes. Here we have shown that macroscopic plasmonic substrates comprising gold nanostars exhibit better efficiencies than nanorods or cubes in the photoregeneration of cofactor molecules. We performed photochemical and photoelectrochemical measurements, supported by theoretical simulations, showing that the unique geometry of nanostars – radially distributed spikes – contributes to stronger light absorption by the plasmonic film containing that type of nanoparticles.

La capacidad de recolección de luz de nanopartículas plasmónicas es una característica fundamental para catalizar reacciones químicas cerca de su superficie. La eficiencia de los procesos fotoquímicos depende no solo de los aspectos geométricos en un solo nivel de partículas, sino también de la complejidad de las arquitecturas multipartículas. Aunque el efecto de la geometría de la partícula se entiende progresivamente en los procesos fotoquímicos relevantes (división del agua y evolución del hidrógeno), existen necesidades experimentales y teóricas para comprender el papel de la forma en los sistemas de múltiples partículas en los procesos fotocatalíticos. Aquí hemos demostrado que los sustratos plasmónicos macroscópicos que comprenden nanoestrellas de oro exhiben mejores eficiencias que nanorods o cubos en la fotorregeneración de moléculas de cofactor. Realizamos mediciones fotoquímicas y fotoelectroquímicas, respaldadas por simulaciones teóricas, que muestran que la geometría única de las nanoestrellas (picos distribuidos radialmente) contribuye a una mayor absorción de la luz por la película plasmónica que contiene ese tipo de nanopartículas.