Quinary wurtzite Zn-Ga-Ge-N-O solid solutions and their photocatalytic properties under visible light irradiation

五元 纤锌矿晶体结构 结晶度 光催化 材料科学 固溶体 制氢 硫系化合物 分解水 化学工程 带隙 氧气 纳米技术 光电子学 化学 冶金 有机化学 复合材料 催化作用 工程类 合金
作者
Yinghao Xie,Fangfang Wu,Xiaoqin Sun,Hongmei Chen,Meilin Lv,Shuang Ni,Gang Liu,Xiaoxiang Xu
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:6 (1) 被引量:24
标识
DOI:10.1038/srep19060
摘要

Abstract Wurtzite solid solutions between GaN and ZnO highlight an intriguing paradigm for water splitting into hydrogen and oxygen using solar energy. However, large composition discrepancy often occurs inside the compound owing to the volatile nature of Zn, thereby prescribing rigorous terms on synthetic conditions. Here we demonstrate the merits of constituting quinary Zn-Ga-Ge-N-O solid solutions by introducing Ge into the wurtzite framework. The presence of Ge not only mitigates the vaporization of Zn but also strongly promotes particle crystallization. Synthetic details for these quinary compounds were systematically explored and their photocatalytic properties were thoroughly investigated. Proper starting molar ratios of Zn/Ga/Ge are of primary importance for single phase formation, high particle crystallinity and good photocatalytic performance. Efficient photocatalytic hydrogen and oxygen production from water were achieved for these quinary solid solutions which is strongly correlated with Ge content in the structure. Apparent quantum efficiency for optimized sample approaches 1.01% for hydrogen production and 1.14% for oxygen production. Theoretical calculation reveals the critical role of Zn for the band gap reduction in these solid solutions and their superior photocatalytic acitivity can be understood by the preservation of Zn in the structure as well as a good crystallinity after introducing Ge.

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