Unveiling the Significance of Diverse Valence State Second Dopants on Hf-Doped Fe2O3 Photoanodes for Enhanced Photoelectrochemical Water Splitting

分解水 掺杂剂 兴奋剂 价(化学) 材料科学 光电化学 价带 无机化学 化学物理 化学 电化学 光电子学 物理化学 带隙 光催化 催化作用 电极 生物化学 有机化学
作者
Periyasamy Anushkkaran,Yong Bi Kwon,Tae Sik Koh,Seong Hui Kim,Weon‐Sik Chae,Sun Hee Choi,Hyun Hwi Lee,Jungwon Kim,Jum Suk Jang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c08529
摘要

Hematite (α-Fe2O3)-based photoanodes offer great potential for use in solar hydrogen production as part of efforts to construct a sustainable and renewable energy economy based on photoelectrochemical (PEC) water splitting. A co-doping modification is of the utmost significance for improving PEC performance. To develop an efficient photoanode, a comprehensive grasp of co-dopants with diverse valence states is necessary. Herein, we describe a hydrothermal and dip-coating approach to the fabrication of Hf-doped Fe2O3 (Hf-HT) photoanodes co-doped with Be2+, Al3+, Si4+, and Nb5+ and evaluate the influence of each co-dopant on PEC performance. The PEC characteristic results revealed that Be2+ and Al3+ co-dopants enhanced surface charge separation efficiency, thus accelerating charge transfers at the photoanode–electrolyte interface. Meanwhile, the PEC performance of the Hf-HT photoanode co-doped with Nb did not significantly improve because of the thick Nb2O5 overlayer. However, the use of a Si4+ co-dopant improved the bulk properties of the photoanode. An optimized Hf-HT photoanode co-doped with Be achieved a photocurrent density of 1.98 mA/cm2 at 1.23 VRHE. This demonstrates that ex situ co-doping can have both positive and negative impacts on the PEC activity of photoelectrodes, and the co-dopants used to accomplish the desired outcomes should be considered in detail.
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