Band Engineering of Double-Layered Sillén–Aurivillius Perovskite Oxychlorides for Visible-Light-Driven Water Splitting

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作者
Akinobu Nakada,Masanobu Higashi,Takuma Kimura,Hajime Suzuki,Daichi Kato,Hiroyuki Okajima,Takafumi Yamamoto,Akinori Saeki,Hiroshi Kageyama,Ryu Abe
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:31 (9): 3419-3429 被引量:66
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.9b00567
摘要

Recently, Bi4MO8X (M = Nb and Ta; X = Cl and Br), Sillén–Aurivillius-type single-layered perovskite oxyhalides, have been shown to be promising visible-light-responsive photocatalysts with unique valence band structures. Here, we report on the synthesis, structures, and photocatalytic properties of a series of double-layered analogues A4A′M2O11Cl (A, A′ = Bi, Pb, Ba, and Sr; M = Ta, Nb, and Ti). Fourteen compounds including ten unreported compounds were successfully synthesized via a two-step method with various combinations of preliminary-prepared multimetal oxide and oxyhalide precursors. In a marked contrast to Bi4MO8X with an almost unvaried valence band maximum (VBM) and conduction band minimum (CBM), both VBM and CBM of A4A′M2O11X are variable to some degree, with a change of compositions. In Sr2Bi3M2O11Cl, for example, Sr-site replacement by Pb and Ba resulted in a shift of the valence and conduction band edges toward narrowing the band gaps. Structural characterizations and density functional theory/Madelung calculations revealed that the observed band edges are mainly understood in terms of the interaction between the Bi/Pb 6s2 lone pair and O 2p orbitals and Madelung site potentials of Bi3+ cations. Furthermore, compounds with a higher occupancy of Bi3+ in the fluorite layer showed improved conductivity of photoexcited electrons, leading to better photoelectrochemical performance for water oxidation under visible light.
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