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Spontaneous Exciton Dissociation in Sc-Doped Rutile TiO2 for Photocatalytic Overall Water Splitting with an Apparent Quantum Yield of 30%

化学 金红石 量子产额 光催化 兴奋剂 离解(化学) 激子 产量(工程) 光化学 物理化学 无机化学 凝聚态物理 光学 热力学 有机化学 催化作用 物理 荧光
作者
Fei Qin,Yuyang Kang,Xingyuan San,Yun‐Long Tang,Jianjun Li,Xin Zhang,Kangyu Zhang,Gang Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (15): 12897-12907 被引量:36
标识
DOI:10.1021/jacs.5c01936
摘要

Achieving high-efficiency photocatalytic overall water splitting with earth-abundant materials like TiO2 under ambient conditions is a compelling renewable energy solution. However, this remains challenging due to both the presence of rich deep-level defects and lack of strong driving force in particulate photocatalysts, limiting the separation of photogenerated charges. Here, we developed a scandium (Sc)-doped rutile TiO2 with fully passivated detrimental Ti3+ defects and very strong built-in electric field arising from engineered (101)/(110) facet junctions. The Sc3+ doping enables a much lower exciton binding energy of 8.2 meV (28.6 meV for undoping) than room-temperature thermal fluctuation energy, indicating spontaneous exciton dissociation. These features enable the photogenerated electrons and holes to selectively transfer to the (110) and (101) facets, respectively. The resulting Sc-doped TiO2 with cocatalyst delivers photocatalytic overall water splitting with an apparent quantum yield of 30.3% at 360 nm and a solar-to-hydrogen conversion efficiency of 0.34%, representing the highest values reported for TiO2-based photocatalysts under ambient conditions.
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