Constructing Sequential Type II Heterojunction CQDs/Bi2S3/TiNbO Photoanode with Superior Charge Transfer Capability Toward Stable Photoelectrochemical Water Splitting

材料科学 分解水 光电流 异质结 电解质 量子点 复合数 兴奋剂 光电子学 电极 纳米技术 化学工程 光催化 催化作用 复合材料 化学 工程类 生物化学 物理化学
作者
Yanjie Pan,Zhenbiao Dong,Dongmei Qin,Bao-Peng Liu,Lulu Cui,Sheng Han,Hualin Lin
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (13): 16062-16074 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsami.3c17726
摘要

Efficient charge transfer and light-trapping units are pivotal prerequisites in the realm of Ti-based photoanode photoelectrochemical (PEC) water splitting. In this work, we successfully synthesized a ternary carbon quantum dots/Bi2S3 quantum dots/Nb-doped TiO2 nanotube arrays (CQDs/Bi2S3/TiNbO) composite photoanode for PEC water splitting. CQDs/Bi2S3/TiNbO composite photoanode exhibited a considerably elevated photocurrent density of 8.80 mA cm–2 at 1.23 V vs the reversible hydrogen electrode, which was 20.00 times better than that of TiO2 (0.44 mA cm–2). Furthermore, the CQDs/Bi2S3/TiNbO composite photoanode attested to exceptional stability, maintaining 92.54% of its initial current after 5 h of stability measurement. Nb-doping boosted the electrical conductivity, facilitating charge transfer at the solid–liquid interface. Moderate amounts of Bi2S3 quantum dots (QDs) and CQDs deposited on TiNbO provided abundant active sites for the electrolyte–photoanode interaction. Simultaneously, Bi2S3 QDs and CQDs synergistically functioned as light-trapping units to broaden the light absorption range from 396 to 530 nm, stimulating increased carrier generation within the composite photoanode. In comparison with pristine TiO, CQDs/Bi2S3/TiNbO photoanodes possessed a superior ability to promote interfacial reactions. This study may provide a strategy for developing high-performance Ti-based photoanodes with efficient charge transfer and light trapping units for highly driving solar-to-hydrogen conversion.
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