Inducing spin polarization via Co doping in the BiVO4 cell to enhance the built-in electric field for promotion of photocatalytic CO2 reduction

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作者
Yujia Liu,Qucheng Deng,Zuofang Yao,Ting Liang,Shiming Zhang,Tingting Zhu,Chenchen Xing,Jinghui Pan,Zebin Yu,Keying Liang,Tao Xie,Rui Li,Yanping Hou
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:664: 500-510 被引量:41
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.03.078
摘要

The efficiency of CO2 photocatalytic reduction is severely limited by inefficient separation and sluggish transfer. In this study, spin polarization was induced and built-in electric field was strengthened via Co doping in the BiVO4 cell to boost photocatalytic CO2 reduction. Results showed that owing to the generation of spin-polarized electrons upon Co doping, carrier separation and photocurrent production of the Co-doped BiVO4 were enhanced. CO production during CO2 photocatalytic reduction from the Co-BiVO4 was 61.6 times of the BiVO4. Notably, application of an external magnetic field (100 mT) further boosted photocatalytic CO2 reduction from the Co-BiVO4, with 68.25 folds improvement of CO production compared to pristine BiVO4. The existence of a built-in electric field (IEF) was demonstrated through density functional theory (DFT) simulations and kelvin probe force microscopy (KPFM). Mechanism insights could be elucidated as follows: doping of magnetic Co into the BiVO4 resulted in increased the number of spin-polarized photo-excited carriers, and application of a magnetic field led to an augmentation of intrinsic electric field due to a dipole shift, thereby extending carrier lifetime and suppressing charges recombination. Additionally, HCOO- was a crucial intermediate in the process of CO2RR, and possible pathways for CO2 reduction were proposed. This study highlights the significance of built-in electric fields and the important role of spin polarization for promotion of photocatalytic CO2 reduction.
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