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Surface Engineering of GaN Photoelectrode by NH3 Treatment for Solar Water Oxidation

结晶度 纤锌矿晶体结构 带隙 X射线光电子能谱 分解水 材料科学 分析化学(期刊) 化学 结晶学 光催化 化学工程 催化作用 光电子学 生物化学 六方晶系 工程类 色谱法
作者
Soon Hyung Kang,Jun‐Seok Ha
出处
期刊:Journal of electrochemical science and technology [The Korean Electrochemical Society - English Journal]
卷期号:14 (4): 388-396 被引量:1
标识
DOI:10.33961/jecst.2023.00339
摘要

<p>Photoelectrochemical (PEC) water splitting is a vital source of clean and sustainable hydrogen energy. Moreover, the largescale H<sub>2</sub> production is currently necessary, while long-term stability and high PEC activity still remain important issues. In this study, a GaN-based photoelectrode was modified by an additional NH<sub>3</sub> treatment (900°C for 10 min) and its PEC behavior was monitored. The bare GaN exhibited a highly crystalline wurtzite structure with the (002) plane and the optical bandgap was approximately 3.2 eV. In comparison, the NH<sub>3</sub>-treated GaN film exhibited slightly reduced crystallinity and a small improvement in light absorption, resulting from the lattice stress or cracks induced by the excessive N supply. The minor surface nanotexturing created more surface area, providing electroactive reacting sites. From the surface XPS analysis, the formation of an N-Ga-O phase on the surface region of the GaN film was confirmed, which suppressed the charge recombination process and the positive shift of E<sub>FB</sub>. Therefore, these effects boosted the PEC activity of the NH<sub>3</sub>-treated GaN film, with <italic>J</italic> values of approximately 0.35 and 0.78 mA·cm<sup>−2</sup> at 0.0 and 1.23 V<sub>RHE</sub>, respectively, and an onset potential (V<sub>on</sub>) of −0.24 V<sub>RHE</sub>. In addition, there was an approximate 50% improvement in the <italic>J</italic> value within the highly applied potential region with a positive shift of V<sub>on</sub>. This result could be explained by the increased nanotexturing on the surface structure, the newly formed defect/trap states correlated to the positive V<sub>on</sub> shift, and the formation of a GaO<sub>x</sub>N<sub>1-x</sub> phase, which partially blocked the charge recombination reaction.</p>
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