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Defect-Mediated Electron–Hole Separation in One-Unit-Cell ZnIn2S4 Layers for Boosted Solar-Driven CO2 Reduction

化学 空位缺陷 光谱学 分析化学(期刊) 太阳能电池 电子顺磁共振 带隙 扫描透射电子显微镜 透射电子显微镜 光电子学 分子物理学 纳米技术 结晶学 材料科学 核磁共振 量子力学 物理 有机化学 色谱法
作者
Xingchen Jiao,Zongwei Chen,Xiaodong Li,Yongfu Sun,Shan Gao,Wensheng Yan,Chengming Wang,Qun Zhang,Yue Lin,Yi Luo,Yi Xie
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:139 (22): 7586-7594 被引量:908
标识
DOI:10.1021/jacs.7b02290
摘要

The effect of defects on electron-hole separation is not always clear and is sometimes contradictory. Herein, we initially built clear models of two-dimensional atomic layers with tunable defect concentrations, and hence directly disclose the defect type and distribution at atomic level. As a prototype, defective one-unit-cell ZnIn2S4 atomic layers are successfully synthesized for the first time. Aberration-corrected scanning transmission electron microscopy directly manifests their distinct zinc vacancy concentrations, confirmed by positron annihilation spectrometry and electron spin resonance analysis. Density-functional calculations reveal that the presence of zinc vacancies ensures higher charge density and efficient carrier transport, verified by ultrafast photogenerated electron transfer time of ∼15 ps from the conduction band of ZnIn2S4 to the trap states. Ultrafast transient absorption spectroscopy manifests the higher zinc vacancy concentration that allows for ∼1.7-fold increase in average recovery lifetime, confirmed by surface photovoltage spectroscopy and PL spectroscopy analysis, which ensures promoted carrier separation rates. As a result, the one-unit-cell ZnIn2S4 layers with rich zinc vacancies exhibit a carbon monoxide formation rate of 33.2 μmol g-1 h-1, roughly 3.6 times higher than that of the one-unit-cell ZnIn2S4 layers with poor zinc vacancies, while the former's photocatalytic activity shows negligible loss after 24 h photocatalysis. This present work uncovers the role of defects in affecting electron-hole separation at atomic level, opening new opportunities for achieving highly efficient solar CO2 reduction performances.
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