Roles of Interface Polaron in the Z-Scheme Photocatalytic Mechanism for Water Splitting: A Multiscale Simulation Study

极化子 异质结 半导体 材料科学 偶极子 凝聚态物理 电子 化学物理 载流子 电荷(物理) 光催化 锐钛矿 光电子学 物理 化学 量子力学 生物化学 催化作用
作者
Hyunjun Nam,Chihun Kim,Eun Seob Sim,Minyeong Je,Heechae Choi,Yong‐Chae Chung
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (40): 19995-20003 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c05153
摘要

Using multiscale simulations, the effect of the polaron formation on the Z-scheme charge separation in g-C3N4/TiO2 heterojunction was systematically studied in this work. It was confirmed that the presence of a polaron at the interface of the g-C3N4/TiO2 heterojunction enhances the interface dipole moment, thereby strengthening the driving force of the charge separation and accelerating the interface recombination of an electron from the anatase TiO2 conduction band and hole from the valence band of g-C3N4. The enhancement in Z-scheme charge transport was further demonstrated through the comparison of nonadiabatic molecular dynamics (NAMD) calculation and the classical Shockley–Read–Hall (SRH) recombination model, which gave very similar theoretical recombination rate changes, 3.7 and 3.5 times greater than the polaron-free model, respectively. This theoretical study reveals the origins of the strong Z-scheme, which mostly occurs in the heterojunction photocatalysts composed of semiconductor phases having polarons. In addition, our study suggests that the polaron formation level and concentration can be the factors of degree of the Z-scheme recombination of a semiconductor heterostructure.

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