Ferroelectric polarization-enhanced charge separation in quantum dots sensitized semiconductor hybrid for photoelectrochemical hydrogen production

材料科学 光电流 极化(电化学) 铁电性 钛酸钡 介电谱 光电子学 量子点 光致发光 可逆氢电极 半导体 纳米技术 电极 电化学 工作电极 物理化学 电介质 化学
作者
Min Zhang,Faying Li,Daniele Benetti,Riad Nechache,Qin Wei,Xiwei Qi,Federico Rosei
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:81: 105626-105626 被引量:37
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105626
摘要

A major unresolved challenge in photoelectrochemical (PEC) solar fuels production is the efficient separation of charges. Here we successfully synthesized a hybrid ferroelectric-semiconducting TiO2 system as photoanode, sensitized with colloidal quantum dots (QDs) to enhance light absorption. By tuning the amount of barium titanate (BaTiO3, BTO) in the photoanode composition and its polarization state, we could obtain a remarkable enhancement up to + 105% compared to the simple TiO2 photoanode. By using engineered QDs with a gradient interface, the photoanode reached a photocurrent density (Jph) and charge-separation efficiency (ηseparation) of 15.3 mA cm−2 and 22.3% at 0.5 V versus the reversible hydrogen electrode (RHE), respectively. To investigate the general beneficial effect of the addition of BTO, three different kinds of QDs were used. By systematically investigating UV–Visible absorption and band alignment, we were able to attribute the increased Jph to an improved charge separation, which was induced by the ferroelectric depolarization electric field. The results were further confirmed by photoluminescence and electrochemical impedance spectroscopy measurements. Our work provides unique insights to improve the performance of PEC photoelectrodes by combining ferroelectric and semiconducting features with the broad absorption of colloidal QDs.
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