Tuning the Electronic Bandgap of Graphdiyne by H‐Substitution to Promote Interfacial Charge Carrier Separation for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Production

带隙 材料科学 光催化 异质结 载流子 半金属 电子能带结构 光电子学 催化作用 可见光谱 半导体 凝聚态物理 化学 物理 有机化学
作者
Jian Li,Amine Slassi,Xu Han,David Cornil,Minh‐Huong Ha‐Thi,Thomas Pino,Damien P. Debecker,Christophe Colbeau‐Justin,Jordi Arbiol,Jérôme Cornil,Mohamed Nawfal Ghazzal
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:31 (29) 被引量:101
标识
DOI:10.1002/adfm.202100994
摘要

Abstract Graphdiyne (GDY), which features a highly π‐conjugated structure, direct bandgap, and high charge carrier mobility, presents the major requirements for photocatalysis. Up to now, all photocatalytic studies are performed without paying too much attention on the GDY bandgap (1.1 eV at the G 0 W 0 many‐body theory level). Such a narrow bandgap is not suitable for the band alignment between GDY and other semiconductors, making it difficult to achieve efficient photogenerated charge carrier separation. Herein, for the first time, it is demonstrated that tuning the electronic bandgap of GDY via H‐substitution (H‐GDY) promotes interfacial charge separation and improves photocatalytic H 2 evolution. The H‐GDY exhibits an increased bandgap energy ( ≈ 2.5 eV) and exploitable conduction band minimum and valence band maximum edges. As a representative semiconductor, TiO 2 is hybridized with both H‐GDY and GDY to fabricate a heterojunction. Compared to the GDY/TiO 2 , the H‐GDY/TiO 2 heterojunction leads to a remarkable enhancement of the photocatalytic H 2 generation by 1.35 times under UV–visible illumination (6200 µ mol h −1 g −1 ) and four times under visible light (670 µ mol h −1 g −1 ). Such enhancement is attributed to the suitable band alignment between H‐GDY and TiO 2 , which efficiently promotes the photogenerated electron and hole separation, as supported by density functional theory calculations.
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