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Oxygen vacancy induced defect dipoles in BiVO4 for photoelectrocatalytic partial oxidation of methane

甲烷 氧气 部分氧化 偶极子 空位缺陷 甲烷厌氧氧化 化学物理 材料科学 光化学 化学 化学工程 结晶学 有机化学 工程类
作者
Xianlong Li,Zhiliang Wang,Alireza Sasani,Ardeshir Baktash,Kai Wang,Haijiao Lu,Jiakang You,Peng Chen,Ping Chen,Yifan Bao,Shujun Zhang,Gang Liu,Lianzhou Wang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-53426-8
摘要

A strong driving force for charge separation and transfer in semiconductors is essential for designing effective photoelectrodes for solar energy conversion. While defect engineering and polarization alignment can enhance this process, their potential interference within a photoelectrode remains unclear. Here we show that oxygen vacancies in bismuth vanadate (BiVO4) can create defect dipoles due to a disruption of symmetry. The modified photoelectrodes exhibit a strong correlation between charge separation and transfer capability and external electrical poling, which is not seen in unmodified samples. Applying poling at −150 Volt boosts charge separation and transfer efficiency to over 90%. A photocurrent density of 6.3 mA cm−2 is achieved on the photoelectrode after loading with a nickel-iron oxide-based cocatalyst. Furthermore, using generated holes for methane partial oxidation can produce methanol with a Faradaic efficiency of approximately 6%. These findings provide valuable insights into the photoelectrocatalytic conversion of greenhouse gases into valuable chemical products. The design of effective photoelectrodes for solar energy conversion relies on optimizing charge separation and transfer, which remain a challenge. In this study, the authors demonstrate that an external poling treatment can create a built-in electric field in bismuth vanadate photoelectrodes, thereby facilitating efficient charge transport for water oxidation and methane conversion.
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