Understanding the reaction mechanism and kinetics of photocatalytic oxygen evolution on CoOx-loaded bismuth vanadate

析氧 钒酸铋 分解水 光催化 催化作用 材料科学 光化学 光电流 电催化剂 动力学 化学 电极 物理化学 电化学 物理 量子力学 生物化学 光电子学
作者
Yoshiyasu Matsumoto,Kengo Nagatsuka,Yuichi Yamaguchi,Akihiko Kudo
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:159 (21) 被引量:3
标识
DOI:10.1063/5.0177506
摘要

Photocatalytic water splitting for green hydrogen production is hindered by the sluggish kinetics of oxygen evolution reaction (OER). Loading a co-catalyst is essential for accelerating the kinetics, but the detailed reaction mechanism and role of the co-catalyst are still obscure. Here, we focus on cobalt oxide (CoOx) loaded on bismuth vanadate (BiVO4) to investigate the impact of CoOx on the OER mechanism. We employ photoelectrochemical impedance spectroscopy and simultaneous measurements of photoinduced absorption and photocurrent. The reduction of V5+ in BiVO4 promotes the formation of a surface state on CoOx that plays a crucial role in the OER. The third-order reaction rate with respect to photohole charge density indicates that reaction intermediate species accumulate in the surface state through a three-electron oxidation process prior to the rate-determining step. Increasing the excitation light intensity onto the CoOx-loaded anode improves the photoconversion efficiency significantly, suggesting that the OER reaction at dual sites in an amorphous CoOx(OH)y layer dominates over single sites. Therefore, CoOx is directly involved in the OER by providing effective reaction sites, stabilizing reaction intermediates, and improving the charge transfer rate. These insights help advance our understanding of co-catalyst-assisted OER to achieve efficient water splitting.
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