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Layered Perovskite Oxyiodide with Narrow Band Gap and Long Lifetime Carriers for Water Splitting Photocatalysis

化学 光催化 钙钛矿(结构) 极化率 碘化物 半导体 载流子 分解水 密度泛函理论 光催化分解水 化学物理 材料科学 带隙 光化学 可见光谱 光电子学 无机化学 计算化学 催化作用 结晶学 有机化学 生物化学 分子
作者
Kanta Ogawa,Hajime Suzuki,Chengchao Zhong,Ryota Sakamoto,Osamu Tomita,Akinori Saeki,Hiroshi Kageyama,Ryu Abe
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (22): 8446-8453 被引量:78
标识
DOI:10.1021/jacs.1c02763
摘要

The development of semiconductors with narrow band gap and high stability is crucial for achieving solar to chemical energy conversion. Compounds with iodine, which has a high polarizability, have attracted attention because of their narrow band gap and long carrier lifetime, as typified by halide perovskite solar cells; however, they have been regarded as unsuitable for harsh photocatalytic water splitting because iodine is prone to self-oxidation. Here, we demonstrate that Ba2Bi3Nb2O11I, a layered Sillén–Aurivillius oxyiodide, not only has access to a wider range of visible light than its chloride and bromide counterparts, but also functions as a stable photocatalyst, efficiently oxidizing water. Density functional theory calculations reveal that the oxygen 2p orbitals in the perovskite block, rather than the fluorite Bi2O2 block as previously pointed out, anomalously push up the valence band maximum, which can be explained by a modified Madelung potential analysis that takes into account the high polarizability of iodine. In addition, the highly polarizable iodide contributes to longer carrier lifetime of Ba2Bi3Nb2O11I, allowing for a significantly higher quantum efficiency than its chloride and bromide counterparts. Visible-light-driven Z-scheme water splitting was achieved for the first time in an iodine-based system using Ba2Bi3Nb2O11I as an oxygen-evolution photocatalyst. The present study provides a novel approach for incorporating polarizable "soft" anions into building blocks of layered materials to manipulate the band structure and improve the carrier dynamics for visible-light responsive functions.
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