Highly Enhanced Photoelectrochemical Water Oxidation Efficiency Based on Triadic Quantum Dot/Layered Double Hydroxide/BiVO4 Photoanodes

材料科学 量子点 氢氧化物 光电化学 光电子学 分解水 化学工程 纳米技术 层状双氢氧化物 光电化学电池 无机化学 催化作用 电化学 电极 光催化 电解质 物理化学 工程类 化学 生物化学
作者
Yanqun Tang,Ruirui Wang,Ye Yang,Dongpeng Yan,Xu Xiang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:8 (30): 19446-19455 被引量:248
标识
DOI:10.1021/acsami.6b04937
摘要

The water oxidation half-reaction is considered to be a bottleneck for achieving highly efficient solar-driven water splitting due to its multiproton-coupled four-electron process and sluggish kinetics. Herein, a triadic photoanode consisting of dual-sized CdTe quantum dots (QDs), Co-based layered double hydroxide (LDH) nanosheets, and BiVO4 particles, that is, QD@LDH@BiVO4, was designed. Two sets of consecutive Type-II band alignments were constructed to improve photogenerated electron-hole separation in the triadic structure. The efficient charge separation resulted in a 2-fold enhancement of the photocurrent of the QD@LDH@BiVO4 photoanode. A significantly enhanced oxidation efficiency reaching above 90% in the low bias region (i.e., E < 0.8 V vs RHE) could be critical in determining the overall performance of a complete photoelectrochemical cell. The faradaic efficiency for water oxidation was almost 90%. The conduction band energy of QDs is ∼1.0 V more negative than that of LDH, favorable for the electron injection to LDH and enabling a more efficient hole separation. The enhanced photon-to-current conversion efficiency and improved water oxidation efficiency of the triadic structure may result from the non-negligible contribution of hot electrons or holes generated in QDs. Such a band-matching and multidimensional triadic architecture could be a promising strategy for achieving high-efficiency photoanodes by sufficiently utilizing and maximizing the functionalities of QDs.
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