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Interface-induced charge transfer pathway switching of a Cu2O-TiO2 photocatalyst from p-n to S-scheme heterojunction for effective photocatalytic H2 evolution

光催化 异质结 材料科学 接口(物质) 电荷(物理) 光电子学 纳米技术 化学工程 复合材料 催化作用 生物 物理 工程类 量子力学 生物化学 毛细管数 毛细管作用
作者
Kaihui Huang,Guijie Liang,Shaolong Sun,Haobin Hu,Xiaoming Peng,Rongchen Shen,Xin Li
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier]
卷期号:193: 98-106 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2024.01.034
摘要

Photocatalytic hydrogen evolution from water splitting is an appealing method for producing clean chemical fuels. Cu2O, with a suitable bandgap, holds promise as a semiconductor for this process. However, the photocatalytic decomposition of Cu2O strongly limits its application in the photocatalytic field. Herein, an S-scheme heterojunction photocatalyst composed of TiO2 and Cu2O was rationally designed to effectively avoid the photo-corrosion of Cu2O. The introduction of an interfacial nitrogen-doped carbon (NC) layer switches the heterojunction interfacial charge transfer pathway from the p-n to S-scheme heterojunction, which avoids excessive accumulation of photogenerated holes on the surface of Cu2O. Meanwhile, the hybrid structure shows a broad spectral response (300–800 nm) and efficient charge separation and transfer efficiency. Interestingly, the highest photocatalytic hydrogen evolution rate of TiO2-NC-3%Cu2O-3%Ni is 13521.9 μmol g−1 h−1, which is approximately 664 times higher than that of pure Cu2O. In-situ X-ray photoelectron spectroscopy and Kelvin probe confirm the charge transfer mechanism of the S-scheme heterojunction. The formation of S-scheme heterojunctions effectively accelerates the separation of photogenerated electron-hole pairs and enhances redox capacity, thereby improving the photocatalytic performance and stability of Cu2O. This study provides valuable insights into the rational design of highly efficient Cu2O-based heterojunction photocatalysts for hydrogen production.
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