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Oxygen Bridge Formed by Doping Nonmetal Atoms into Cationic Vacancies To Enhance the Photoelectrochemical Oxygen Evolution Reaction

材料科学 阳离子聚合 兴奋剂 分解水 密度泛函理论 氧气 化学物理 带隙 电子结构 析氧 纳米技术 光化学 光催化 催化作用 化学工程 光电子学 计算化学 物理化学 电化学 化学 有机化学 电极 高分子化学 工程类
作者
Min Zhang,Yixuan Gao,Qi Zhao,Juanjuan Wei,Lirong Zheng,Jin Ouyang,Na Na
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (30): 36214-36223 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsami.3c06004
摘要

To enhance photoelectrochemical (PEC) water splitting for renewable energy conversion, the conventional strategy is doping nonmetals into anionic vacancies. Compared to anionic vacancies, cationic vacancies are theoretically more effective and reliable for anchoring nonmetals owing to their larger radii and unique advantages. The current research mainly focuses on anionic vacancies, while there are few studies on cationic vacancies due to high formation energy and challenging characterizations by convenient techniques. To overcome the current limitations, nonmetallic S and P atoms are successfully doped into cationic vacancies on the TiO2 surface for tuning local electronic structures. In contrast to the traditional strategy of reducing the bandgaps, nonmetallic atom doping into cationic vacancies facilitates efficient electronic regulation for PEC enhancement without changing the bandgap. The enhanced performance is attributed to the formation of an oxygen bridge, which can accumulate electrons from surrounding S/P atoms. Significantly, the electron-enriched oxygen bridge efficiently transfers electrons to activate reaction site Ti, which can promote the oxygen evolution reaction performance. Density functional theory calculations reveal that the decrease of reaction energy barriers and the optimization of local electron distribution are conducive to electronic transmission. This would provide a high-efficiency electronic tuning strategy for improving PEC performance.

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