Integration of LaCo(OH)x Photo-Electrocatalyst and Plasmonic Gold Nanoparticles with Sb-Doped TiO2 Nanorods for Photoelectrochemical Water Oxidation

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作者
Debashish Pal,Ayan Sarkar,Nani Gopal Ghosh,Devendra Mayurdhwaj Sanke,Dipanjan Maity,Keshab Karmakar,Debasish Sarkar,Sanjio S. Zade,Gobinda Gopal Khan
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:4 (6): 6111-6123 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acsanm.1c00928
摘要

This work demonstrates a strategic nanoengineering design of a TiO2 nanorod (NR)-based photoanode. Here, the doping of Sb in TiO2 NRs along with co-integration of plasmonic gold nanoparticles and an amorphous lanthanum-cobalt double hydroxide (LaCo(OH)x) oxygen evolution catalyst (OEC) is found to improve visible-light absorption, rapid electron–hole pair separation, fast electron transportation, and the surface photocatalytic reaction of the photoanode, resulting in the ameliorated water oxidation performance. The Sb-doped TiO2 NRs exhibit a reduced band gap, improved photoconductivity, and an excellent photocurrent density (1.03 mA·cm–2 at 1.23 V vs reversible hydrogen electrode (RHE)). The anchoring of Au nanoparticles on Sb-TiO2 NRs significantly improves visible-light absorption and the photocurrent density because of the localized surface plasmon resonance effect. Herein, LaCo(OH)x is demonstrated as a photo-electrocatalyst and incorporated with a TiO2 NR-based photoanode for the first time. Integration of a suitable amount of the LaCo(OH)x OEC with Au/Sb-TiO2 NRs significantly improves photocarrier separation, photogenerated charge transportation, and the surface photo-electrocatalytic reaction and reduces the charge transfer resistance, delivering above 10 mA/cm2 photocurrent density at 2.06 V vs RHE and resulting in the enhanced photoelectrochemical (PEC) activity and photostability for water oxidation. The LaCo(OH)x-electrodeposited Au/Sb-TiO2 NR sample exhibits a hydrogen production rate of 21.4 μmol·cm–2·h–1 at the counter electrode under illumination. This work demonstrates a strategic design of a TiO2-based photoanode integrating doping with plasmonic nanostructures and cocatalysts for solar fuel production through water splitting.
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