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Shallow Zirconia Diffusion Synergistically Enhances Surface Charge Transport in Ge‐Doped Hematite for Efficient Photoelectrochemical Water Splitting

材料科学 载流子 光电流 化学物理 掺杂剂 兴奋剂 成核 电导率 赤铁矿 分解水 化学工程 电荷密度 密度泛函理论 表面电荷 载流子寿命 耗尽区 扩散 载流子密度 光电化学 表面状态 电子迁移率 空间电荷 电阻率和电导率 立方氧化锆 能量转换效率 表面扩散 表面电导率 结晶 半导体 比表面积 纳米技术
作者
Love Kumar Dhandole,Periyasamy Anushkkaran,Weon‐Sik Chae,Sun Hee Choi,Min Cho,Jum Suk Jang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:: e74003-e74003
标识
DOI:10.1002/smll.74003
摘要

ABSTRACT Iron oxide‐based materials suffer from inherently low conductivity and severe charge carrier recombination, resulting in poor PEC performance and low solar‐to‐hydrogen (STH) conversion efficiency. In this study, we aim to enhance the intrinsic conductivity of pristine hematite through a dual co‐doping strategy. Zr shallow doping was introduced into Ge‐doped hematite. XPS‐depth profiling confirms a gradient distribution of Zr, incorporated via surface diffusion during high‐temperature thermal sintering. In conjunction with Ge‐doping during nucleation reaction, which promotes the photoactive H(110) plane and suppresses FTO‐induced Sn‐diffusion, Zr plays a dual role in improving bulk electronic properties while mitigating surface recombination in hematite. This synergistic effect facilitates more efficient charge transport at the electrode–electrolyte interface, as evidenced by the lowest interfacial R 2 obtained from EIS, along with reduced bulk R 1 , indicating enhanced conductivity. As a result, the photocurrent density increases from 2.06 to 2.41 mA cm −2 at 1.23 V RHE upon Zr co‐doping, even in the absence of a cocatalyst. The synergistic lattice restructuring induced by elemental co‐doping—through the selection of dopants with complementary roles—enhances carrier density without introducing excessive defect states. Consequently, bulk recombination is suppressed, and the surface becomes more favorable for hole transfer to the electrolyte.
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