Approach of fermi level and electron-trap level in cadmium sulfide nanorods via molybdenum doping with enhanced carrier separation for boosted photocatalytic hydrogen production

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作者
Changfa Guo,Kunfei Tian,Li Wang,Liang Feng,Fangfang Wang,De‐Li Chen,Jiqiang Ning,Yijun Zhong,Yong Hu
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:583: 661-671 被引量:118
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2020.09.093
摘要

• Mo doping introduces defect state at the bottom of conduction band of CdS. • Approach of Fermi level and defect state enhances electron trapping. • Ununiform charge distribution facilitates transfer and separation of carriers. • Mo-CdS NRs display remarkably higher catalytic activity than pure CdS NRs. Doping semiconductor with non-noble metal is a promising strategy to modulate the electronic structures and therefore develop efficient photocatalysts. In this study, we report a facile one-pot solvothermal strategy to synthesize Mo-doped CdS nanorods (NRs) using ammonium tetrathiomolybdate as the sources for both of S and Mo, cadmium acetate as the Cd source, and ethanediamine as the solvent heated at 180 °C for 24 h. The experimental characterizations and theoretical calculations reveal that Mo in the form of Mo 4+ is incorporated into the CdS lattice to substitute Cd 2+ ions and the Mo-S-Cd bonds are formed accordingly. The Mo doping not only introduces localized electron-trapping states at the bottom of conduction band minimum, but also elevates the Fermi level towards the defect level, which endows the doped system with enhanced n -type characteristic and the defect state with strong electron-trapping ability. Moreover, a nonuniform distribution of charge density is formed for the Mo-doped CdS NRs, facilitating the separation of photoexcited charge carriers. Therefore, the Mo-doped CdS NRs exhibit remarkably enhanced photocatalytic activity, with an average H 2 production rate of 14.62 mmol·g −1 ·h −1 without using Pt as the co-catalyst, about 5.8 times higher than that of bare CdS. This work provides new insight into the facile synthesis of visible-light-driven photocatalysts as well as the effect of metal ion doping on the modulation of electronic structures.
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