Interface Coordination Bonding-Driven Charge Transport for High-Performance Photoelectrochemical Water Splitting

分解水 材料科学 催化作用 接口(物质) 电荷(物理) 化学物理 化学 多相催化 光电子学 电催化剂 光电化学 光催化 无机化学 化学工程 光电化学电池 密度泛函理论 能量转换
作者
Ping Li,Kai Chen,Ge Ge,Hailong Zhang,Shijian Zhang,Xiuxiu Huang,Wenbin Ruan,Congliang Cheng,Yaner Ruan,C. X. Zhang,Xiufang Wang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (7): 6772-6785
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c00027
摘要

Photoelectrochemical (PEC) water oxidation for hydrogen production is an appealing strategy, yet the oxygen evolution reaction (OER) at the photoanode faces bottlenecks: weak water activation and a low charge utilization rate. Here, hydrophilic SO42– groups were introduced at the CdS/SnS2 photoanode interface to construct directional interfacial coordination bonds (Sn-SO42–-Cd) that serve as interfacial charge-migration channels, thereby improving the utilization efficiency of photogenerated carriers. The optimized SO42–-SnS2/CdS photoanode exhibits a maximum photocurrent density value of 1.48 mA cm–2 at 1.23 V vs RHE, demonstrating an enhancement of about 9.25 times relative to the SnS2 photoanode. The photocurrent density value of the SO42–-SnS2/CdS-PANI photoanode may be further increased to 1.83 mA cm–2 by loading polyaniline (PANI) as a hole transport layer (HTL), resulting in an applied bias photon-to-current efficiency (ABPE) of 0.76% and prolonged photostability. From experimental findings and density functional theory (DFT) simulations, the meliorative water oxidation capacity is caused by the design of the Sn-SO42–-Cd directional interfacial coordination in SO42–-SnS2/CdS, which speeds up the photoinduced charge transfer, lowers the water-splitting energy barriers, and raises the OER dynamics. This straightforward, yet broad method offers a foundation to design directional interfacial coordination bonds for high-performance PEC water-splitting applications.
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