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A Twin S‐Scheme Artificial Photosynthetic System with Self‐Assembled Heterojunctions Yields Superior Photocatalytic Hydrogen Evolution Rate

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作者
Xiaowen Ruan,Chengxiang Huang,Hui‐Ming Cheng,Zhiquan Zhang,Yi Cui,Zhiyun Li,Tengfeng Xie,Kaikai Ba,Haiyan Zhang,Lei Zhang,Xiao Zhao,Jing Leng,Shengye Jin,Wei Zhang,Weitao Zheng,Sai Kishore Ravi,Zhifeng Jiang,Xiaoqiang Cui,Jiaguo Yu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (6) 被引量:259
标识
DOI:10.1002/adma.202209141
摘要

Designing heterojunction photocatalysts imitating natural photosynthetic systems has been a promising approach for photocatalytic hydrogen generation. However, in the traditional Z-Scheme artificial photosynthetic systems, the poor charge separation, and rapid recombination of photogenerated carriers remain a huge bottleneck. To rationally design S-Scheme (i.e., Step scheme) heterojunctions by avoiding the futile charge transport routes is therefore seen as an attractive approach to achieving high hydrogen evolution rates. Herein, a twin S-scheme heterojunction is proposed involving graphitic C3 N4 nanosheets self-assembled with hydrogen-doped rutile TiO2 nanorods and anatase TiO2 nanoparticles. This catalyst shows an excellent photocatalytic hydrogen evolution rate of 62.37 mmol g-1 h-1 and high apparent quantum efficiency of 45.9% at 365 nm. The significant enhancement of photocatalytic performance is attributed to the efficient charge separation and transfer induced by the unique twin S-scheme structure. The charge transfer route in the twin S-scheme is confirmed by in situ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electron spin resonance (ESR) spin-trapping tests. Femtosecond transient absorption (fs-TA) spectroscopy, transient-state surface photovoltage (TPV), and other ex situ characterizations further corroborate the efficient charge transport across the catalyst interface. This work offers a new perspective on constructing artificial photosynthetic systems with S-scheme heterojunctions to enhance photocatalytic performance.
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