Highly efficient utilization of light and charge separation over a hematite photoanode achieved through a noncontact photonic crystal film for photoelectrochemical water splitting

文献情報

出版日 2020-06-30
DOI 10.1039/D0CP00284D
インパクトファクター 3.676
著者

Dong-Peng Yang, Xiao-Gang Yang, Quan-Long Xu, Wei Chen, Shaoming Huang


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要旨

The trade-off problem between light absorption and charge collection under lower band-bending (bias) is extremely difficult to resolve in water splitting on photoelectrodes. Although the use of metallic back-reflectors, antireflection coatings, and textured substrates and light absorbers enable the improvement of light utilization efficiency, these methods still suffer from high cost and complex fabrication process, especially, incompetent separation of photogenerated carriers. Here taking the hematite (α-Fe2O3) photoanode as a model, we report that a noncontact photonic crystal (PC) film composed of silica nanoparticles and ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA) resin can significantly enhance the photoelectrochemical (PEC) activity of the photoelectrode. Specifically, more than 250 mV cathodic shift in the onset potential and 4 times larger photocurrent at 1.0 V versus a reversible hydrogen electrode (RHE) were achieved over the α-Fe2O3-PC photoanode hybrid system, compared with the pristine α-Fe2O3 photoanode. Our work showed that a PC film not only boosted light absorption of the α-Fe2O3 layer but also improved its charge transfer efficiency under light illumination. These new findings of the synergistic effect will open a new avenue to design high-performance solar energy conversion devices.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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