光催化效应仿真专题之一:简介

参见
光催化效应仿真专题之二:FDTD光学仿真
光催化效应仿真专题之三:DEVICE热学仿真
完整的仿真方法和例子可以在KB上找到
此例子是为具有化学背景用户写的,因此比较详细,也可以供其他希望学习周期结构、太阳能器件和热仿真的用户作为入门学习之例子。 熟练用户可以直接参考知识库中的相关例子。

光催化效应是一种利用光能量加速化学反应的一个过程,在很多领域有着重要应用,例如清洁能源、卫生消毒、蒸馏、海水淡化、分解对环境有害的物质、将有害物质合成为中性或者有重要价值的化学原料等,甚至在生物医学等领域还有诸如光熔、光焊接以及卤化DNA核碱基等应用。由于一些应用可以使用太阳光,因此,为当前清洁能源和海水淡化等前沿研究提供了更多的可能性。大家可以参考众多文献,例如南京大学周林博士为第一作者的祝世宁团队在2016年初发表在《自然–光子学》上的文章: 3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination

为了增强这种催化效应,最近,金属微结构局部激发的等离子基元增强成为一个热门研究课题,有人甚至提出一个新兴的领域thermal plasmonic photocatalysis。通过对这种微结构的优化,可以产生更强的谐振光吸收,进而转换为热源,使局部温度升高至100 或数百度(摄氏)。此外,semiconductor photocatalysis 由于其独特的优点,也是研究的重点,笔者以为,二者如果能有机结合,其应用前景更加广阔。

光催化效应设计光学、热学、化学(包括催化剂)甚至有时还有电学等效应。我们这里仅介绍光学和热学仿真。

使用FDTD Solutions 作光学仿真地目的是设计微结构以增加俘获光波的能力,设计内容包括微结构(纳粒子)的形状、大小、取向、纳粒子之际的相互作用、纳粒子材料、周围材料等提高单波长或者宽波长范围的光吸收等。 而使用DEVICE Charge Transport Solver是为了计算在一定的光学吸收下计算微结构的温度分布和温升大小。

光学仿真包括但不局限于下列结果参数:
total power absorbed (W)总吸收功率
absorption density as a function of space and/or wavelength吸收功率密度
extinction cross section or efficiency消光截面或效率
absorption cross section, total cross section 吸收截面、总截面
reflection, transmission 反射率透射率
electrical field intensity profile电场分布
field enhancement 电场的增强
overall enhancement总增强
near field confinement近场限制因子
dipole or quadrupole resonances 偶极谐振、四极子等谐振

热学仿真包括单不局限于下列结果参数
Volumetric heat source density 热源密度
optical absorption density (W/m3) 光吸收密度
thermal gradient (K/m or K/um)热梯度
thermal time constant (K/s)热时间常数
Thermal cross section热截面
temperature change of spatial distribution温度变化和空间分布
Temperature vs light flux 不同光照下的温度曲线等

以上仿真均可以计算瞬态和稳态结果,多数情况一般需要稳态结果。

但是下列参数不能仿真:
Charge transfer or photo-current except for semiconductors非半导体结构的光电流
vapor水蒸气
photocatalytic enhancement光催化效应的增强(涉及化学仿真)
reaction rate 反应速率
photocatalytic Efficiency光催化效应的效率
等不能用麦克斯韦方程或热传导方程表征的物理、化学量等。

一般来说,光催化效应中的光-热-电-化学等是互相关联耦合的,但是,由于用于描述这些变化的方程不同,因此我们分别予以仿真。一些材料的光学、热学参数可能随着时间而变,因此,在设置参数时要充分考虑到这些问题。大多数材料的光学折射率温度系数比较小,温度升高100度也不至于影响光学吸收率;但是,在微纳尺度,量子效应可能会改变材料的宏观介电常数,通过一定的模型可以修改材料特性,例如参考这个帖子

材料的热学特性可能对几何尺寸比较敏感。有文献报道,在纳米尺度,有些材料的热导率可能降低到宏观材料的10%。热导率可能是温度的函数,甚至可能是各向异性的。

除此之外,用户也可能需要考虑微纳例子产生的热是如何传递给周围环境的。例如,在蒸馏和脱盐过程中,局部高温可以将局部的水分子汽化形成水蒸气而带走热量。但是热学仿真却不能进行这种动态仿真,因为这里面涉及其它原理。此时,如何设置热学仿真使得仿真结果能合理地解释实验现象非常重要的。


部分光学仿真结果 (此图来自于南京大学的文章)。


部分热学仿真结果,参见Metamaterial Microbolometer

顺便说明,知识库里有大量的表面等离基元光子学和一些热学的仿真例子,大家可以学习。写光催化效应仿真专题帖子的主要目的是为了帮助该领域的用户尽快上手,因为该领域的用户可能大多具有良好的化学背景,但是由于FDTD以及热学仿真涉及面很广,内容也比较分散,学习起来可能比较费时间。同时我们也希望收集用户的一些意见,以提高仿真效率。

参见第二部分 光催化效应仿真专题之二:FDTD光学仿真
参见第三部分 光催化效应仿真专题之三:DEVICE热学仿真
完整的仿真方法和例子可以在KB上找到

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