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Band structure engineering and defect control of Ta3N5 for efficient photoelectrochemical water oxidation

钝化 材料科学 兴奋剂 分解水 光电子学 带隙 能量转换效率 载流子 掺杂剂 光电化学 光催化 电极 纳米技术 图层(电子) 化学 冶金 电化学 物理化学 催化作用 生物化学
作者
Yequan Xiao,Chao Feng,Jie Fu,Faze Wang,Changli Li,Viktoria F. Kunzelmann,Chunsheng Jiang,Mamiko Nakabayashi,Naoya Shibata,Ian D. Sharp,Kazunari Domen,Yanbo Li
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:3 (11): 932-940 被引量:209
标识
DOI:10.1038/s41929-020-00522-9
摘要

Ta3N5 is a promising photoanode material with a theoretical maximum solar conversion efficiency of 15.9% for photoelectrochemical water splitting. However, the highest applied bias photon-to-current efficiency achieved so far is only 2.72%. To bridge the efficiency gap, effective carrier management strategies for Ta3N5 photoanodes should be developed. Here, we propose to use gradient Mg doping for band structure engineering and defect control of Ta3N5. The gradient Mg doping profile in Ta3N5 induces a gradient of the band edge energetics, which greatly enhances the charge separation efficiency. Furthermore, defect-related recombination is significantly suppressed due to the passivation effect of Mg dopants on deep-level defects and, more importantly, the matching of the gradient Mg doping profile with the distribution of defects within Ta3N5. As a result, a photoanode based on the gradient Mg-doped Ta3N5 delivers a low onset potential of 0.4 V versus that of a reversible hydrogen electrode and a high applied bias photon-to-current efficiency of 3.25 ± 0.05%. Despite the efforts to tune their properties, the efficiency of tantalum nitride photoanodes falls short of the theoretical value. Here, a gradient Mg doping strategy is introduced to engineer tantalum nitride’s band structure and control its defects, leading to an applied bias photon-to-current efficiency of 3.25%.
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