First principles studies on the redox ability of (Ga1−xZnx)N1−xOx solid solutions and thermal reactions for H2 and O2 production on their surfaces

光催化 氧化还原 分解水 化学计量学 热的 固溶体 杂质 材料科学 制氢 极地的 光化学 化学 催化作用 无机化学 物理化学 物理 热力学 有机化学 天文
作者
Yaojun A. Du,Yun-Wen Chen,Jer‐Lai Kuo
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:15 (45): 19807-19807 被引量:12
标识
DOI:10.1039/c3cp53091d
摘要

The (Ga1-xZnx)N1-xOx solid solution has been emerging as an effective photocatalyst for water splitting utilizing the visible solar spectrum, regarded as a host GaN bulk doped with ZnO impurities. H2 and O2 production occur simultaneously and stoichiometrically on the surface of (Ga1-xZnx)N1-xOx particles. In this work, we characterize the redox ability of (Ga1-xZnx)N1-xOx and find that a solid solution with a ZnO concentration of 0.125 < x < 0.250 is optimal for water splitting. This is consistent with the experimental finding that the maximum photocatalytic activity of (Ga1-xZnx)N1-xOx is achieved at x = 0.13. The thermal reactions of water splitting are modeled on both the GaN and an idealized (Ga1-xZnx)N1-xOx (101[combining macron]0) surface. The computed activation barriers allow us to gain some clues on the efficiency of water splitting on a specific photocatalyst surface. Our results suggest that the non-polar (101[combining macron]0) and polar (0001) surfaces may play different roles in water splitting, i.e., the (101[combining macron]0) surface is responsible for O2 production, while hydroxyl groups could dissociate on the (0001) surface.
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