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新型结构的增强光捕获和高电荷传输能力可实现高效光电化学水分解。

Enhanced light trapping and high charge transmission capacities of novel structures for efficient photoelectrochemical water splitting.

机构信息

School of Physics, Northwest University, Xi'an, Shaanxi 710069, P. R. China.

出版信息

Nanoscale. 2018 Jul 5;10(25):11881-11893. doi: 10.1039/c8nr03040e.

DOI:10.1039/c8nr03040e
PMID:29897080
Abstract

Excellent PEC efficiency, good reusability and the super stability of trap-like SnS2/TiO2 nanotube arrays (NTs)-based photoanodes are reported. Specifically, the SnS2/TiO2-180 °C (ST-180) photoanode exhibited the highest photocurrent density (1.05 mA cm-2) and an optimal η (0.73%) at 0.5 V (vs. SCE) under simulated light irradiation (AM 1.5G), which are 4.6 and 3.8 times higher than those of pure TiO2 NTs (0.23 mA cm-2 and 0.19%). The IPCE values of ST-180 can reach 21.5% (365 nm) and 13.8% (420 nm), which are much higher than those of pure TiO2 NTs (10.6% at 365 nm and 0.8% at 420 nm). The APCE values of the pure TiO2 NTs photoelectrode are 12.8% (365 nm) and 1.1% (420 nm), while the ST-180 values are 22.3% and 14.2%, respectively. Furthermore, the generation rates of H2 and O2 for the ST-180 photoanode are 47.2 and 23.1 μmol cm-2 h-1 at 0.5 V under AM 1.5G, corresponding to faradaic efficiencies of around 80.1% and 78.3%, respectively. In short, the high-efficiency PEC water splitting performance of this SnS2/TiO2 photoanode results from the enhanced light harvesting ability of the trap-like SnS2 structure, accelerated carrier transportation properties of TiO2 NTs, and effective carrier separation of the type-II heterojunction structure. This work may offer a combinatorial strategy for the preparation of heterojunction structures with high PEC performance and can be a model structure for similar photoanode materials.

摘要

报道了具有优异的 PEC 效率、良好的可重复使用性和超稳定性的陷阶型 SnS2/TiO2 纳米管阵列(NTs)基光阳极。具体来说,SnS2/TiO2-180°C(ST-180)光阳极在模拟光照(AM 1.5G)下表现出最高的光电流密度(1.05 mA cm-2)和最佳的 η(0.73%),在 0.5 V(相对于 SCE)时,这分别是纯 TiO2 NTs(0.23 mA cm-2 和 0.19%)的 4.6 倍和 3.8 倍。ST-180 的 IPCE 值在 365nm 时可达 21.5%,在 420nm 时可达 13.8%,远高于纯 TiO2 NTs(365nm 时为 10.6%,420nm 时为 0.8%)。纯 TiO2 NTs 光电电极的 APCE 值分别为 365nm 时的 12.8%和 420nm 时的 1.1%,而 ST-180 的值分别为 22.3%和 14.2%。此外,在 AM 1.5G 下,ST-180 光阳极在 0.5V 时的 H2 和 O2 的生成速率分别为 47.2 和 23.1 μmol cm-2 h-1,相应的法拉第效率约为 80.1%和 78.3%。总之,这种 SnS2/TiO2 光阳极具有高效的 PEC 水分解性能,这是由于陷阶型 SnS2 结构增强了光捕获能力、TiO2 NTs 加速了载流子输运性能以及 II 型异质结结构的有效载流子分离。这项工作为制备具有高 PEC 性能的异质结结构提供了一种组合策略,并可以作为类似光阳极材料的模型结构。

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