Engineering Semi‐Reversed Quantum Well Photocatalysts for Highly‐Efficient Solar‐to‐Fuels Conversion

材料科学 光催化 纳米技术 工程物理 化学工程 催化作用 化学 有机化学 工程类
作者
Qing Yuan,Jindou Huang,Ang Li,Na Lu,Wei Lü,Yongan Zhu,Zhenyi Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (16) 被引量:21
标识
DOI:10.1002/adma.202311764
摘要

Abstract Semiconductor quantum wells (QWs) exhibit high charge‐utilization efficiency for light‐emitting applications due to their strong charge confinement effect. Inspired by this effect, herein, this work proposes a new idea to significantly improve the photo‐generated charge separation for attaining a highly‐efficient solar‐to‐fuels conversion process through “semi‐reversing” the conventional QWs to confine only the photo‐generated electrons. This electron confinement‐improved charge separation is implemented in the well‐designed model of the CdS/TiO 2 /CdS semi‐reversed QW (SRQW) structure. The latter is fabricated by selectively assembling CdS quantum dots (QDs) onto the {101} facets (ultra‐thin edge regions) of the TiO 2 nanosheets (NSs). Upon light excitation, the photo‐generated electrons of SRQW can be confined on the TiO 2 ‐{101} facets in the vicinity of the CdS/TiO 2 hetero‐interface. Thereby, the continuous multi‐electron injection to the adsorbed reactants on the interfacial active‐sites is significantly accelerated. Thus, the CdS/TiO 2 /CdS SRQW exhibits ≈35.7 and ≈56.0‐fold enhancements on the photocatalytic activities for water and CO 2 reduction, respectively, compared to those of pure TiO 2 . Correspondingly, its CH 4 ‐product selectivity is increased by ≈180%. This work provides a novel charge separation mechanism, which is of great importance for the design of the next‐generation quantum‐sized photocatalysts for solar‐to‐fuels conversion.

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