Reactive Chemical Environments Control Charge Carrier Selectivity and Photovoltage at Nanoparticle Electrocatalyst/Semiconductor Junctions in Solar Water Splitting

化学 半导体 电催化剂 表面光电压 载流子 电荷(物理) 选择性 纳米颗粒 光电子学 纳米技术 电极 催化作用 电化学 物理化学 有机化学 物理 材料科学 量子力学 光谱学
作者
Ahmet Sert,Aarti Mathur,Suljo Linic
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (34): 30829-30841
标识
DOI:10.1021/jacs.5c07369
摘要

Interfacial charge transfer at electrocatalyst/semiconductor (EC/SC) junctions is central to the performance of photo(electro)catalysts, yet the influence of the reactive environment on these processes remains poorly understood. This is particularly the case for unburied EC/SC junctions, such as EC nanoparticles anchored on a SC (np-EC/SC), where reacting molecules readily access the EC surface sites and the np-EC/SC interfaces. Herein, we uncover a dynamic, chemically driven mechanism by which the local reaction environment modulates charge transfer at Pt/p-Si interfaces under solar water splitting conditions. We demonstrate that molecular adsorption of H2 and O2 at the metal/electrolyte interface induces interfacial dipoles on Pt nanoparticles, effectively tuning their work function and shifting the junction from Ohmic to rectifying behavior. This environment-responsive modulation of the Schottky barrier height governs charge carrier selectivity independently of the commonly cited pinch-off effect, which is found to be negligible. Additionally, a spontaneously evolved thin SiOx interlayer facilitates tunneling-mediated charge transfer while suppressing recombination, providing an additional degree of control over interfacial energetics. These findings reveal that catalytic surface chemistry can serve as a powerful lever for tuning electronic structure and photovoltage in nanoscale photoelectrode architectures, opening new design strategies for high-efficiency solar fuel systems.

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