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Fe2O3 Nanoflakes ‐ WS2 Nanosheets Heterojunctions for Multi‐Fold Enhancement in Photoelectrochemical Solar Energy Conversion

异质结 光电流 材料科学 分解水 密度泛函理论 带隙 种姓 纳米片 半导体 光电子学 纳米技术 化学 计算化学 光催化 生物化学 催化作用
作者
Govinda Chandra Behera,Bubunu Biswal,Jatin Kumar Bidika,B. R. K. Nanda,Subbiah Alwarappan,J.K. Rath,Somnath C. Roy
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202406715
摘要

Abstract Fe 2 O 3 ‐based photoanodes show great potential in photoelectrochemical water splitting due to their excellent stability, moderate band gap, and abundance. However, a short hole diffusion length limits its photocurrent density. Here, a multi‐fold enhancement in photocurrent density from Fe 2 O 3 nanoflakes – WS 2 nanosheets heterojunction is reported. The heterojunction exhibits a synergistic photocurrent density of 0.52 mA cm −2 at 1.3 V (versus RHE) under AM 1.5G simulated sunlight, which is 2.23 times higher than pristine Fe 2 O 3 nanoflakes. The Mott–Schottky and Nyquist plots indicate a higher charge density with lower charge transfer resistance at the semiconductor‐electrolyte junction. The density functional theory (DFT) ‐based first‐principles calculations are performed by designing a heterostructure between Fe 2 O 3 (110) and WS 2 (001) similar to the experimentally found arrangement of crystal planes. Free energy analysis and relative band extrema positions, obtained from DFT calculations and valence band spectroscopy, indicate the formation of type II heterojunction with partial oxygen terminated surface of Fe 2 O 3 . The type‐II band alignment with a charge transfer of 4.8 × 10 −4 e per interfacial WS 2 to Fe 2 O 3 , helps in easy separation of photogenerated charges. The work establishes both an experimental design and a theoretical framework of highly crystalline nanoflakes‐nanosheet heterojunctions for efficient photoelectrochemical solar energy conversion.
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