Exciton Manipulation for Enhancing Photoelectrochemical Hydrogen Evolution Reaction in Wrinkled 2D Heterostructures

材料科学 异质结 光电子学 激子 塔菲尔方程 单层 纳米技术 光催化 化学物理 电化学 电极 凝聚态物理 生物化学 物理 物理化学 催化作用 化学
作者
Rapti Ghosh,Bhartendu Papnai,Yu‐Siang Chen,Yu‐Siang Chen,Kanchan Yadav,Raman Sankar,Ya‐Ping Hsieh,Mario Hofmann,Yang‐Fang Chen,Yang‐Fang Chen
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (16): e2210746-e2210746 被引量:49
标识
DOI:10.1002/adma.202210746
摘要

Abstract 2D materials’ junctions have demonstrated capabilities as metal‐free alternatives for the hydrogen evolution reaction (HER). To date, the HER has been limited to heterojunctions of different compositions or band structures. Here, the potential of local strain modulation based on wrinkled 2D heterostructures is demonstrated, which helps to realize photoelectrocatalytically active junctions. By forming regions of high and low tensile strain in wrinkled WS 2 monolayers, local modification of their band structure and internal electric field due to piezoelectricity is realized in the lateral direction. This structure produces efficient electron–hole pair generation due to light trapping and exciton funneling toward the crest of the WS 2 wrinkles and enhances exciton separation. Additionally, the formation of wrinkles induces an air gap in‐between the 2D layer and substrate, which reduces the interfacial scattering effect and consequently improves the charge‐carrier mobility. A detailed study of the strain‐dependence of the photocatalytic HER process demonstrates a 2‐fold decrease in the Tafel slope and a 30‐fold enhancement in exchange current density. Finally, optimization of the light absorption through functionalization with quantum dots produces unprecedented photoelectrocatalytic performance and provides a route toward the scalable formation of strain‐modulated WS 2 nanojunctions for future green energy generation.
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