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Constructing quantum dots sensitized TiO2 nanotube p-n heterojunction for photoelectrochemical hydrogen generation

异质结 光电流 材料科学 量子点 分解水 纳米技术 光电子学 电解质 光催化 纳米颗粒 化学 化学工程 催化作用 电极 工程类 物理化学 生物化学
作者
Omar Abdelkarim,Amir Mirzaei,Gurpreet Singh Selopal,Aycan Yurtsever,Ghada Bassioni,Zhiming M. Wang,Mohamed Chaker,Federico Rosei
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:446: 137312-137312 被引量:48
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.137312
摘要

PEC devices are fabricated using 1D TiO 2 nanotubes and sensitized with QDs through a simple and low-cost solution-based process. Furthermore, an optimized nanoscale p-n heterojunction is employed using CuSe treatment to enhance the carrier dynamics. Finally, A detailed investigation is conducted on each parameter that affecting the PEC device performance. • Self-organized TiO 2 NTs/QDs photoanodes are fabricated for PEC water splitting. • Surface engineering through p-n heterojunction improves the device performance. • KPFM is used to investigate the surface potential enhancement of the photoanode. • PEC device performance is investigated by changing NTs length. Photoelectrochemical (PEC) water splitting is a promising approach to convert solar radiation into hydrogen (H 2 ) as a clean fuel. The PEC device performance depends on the light harvesting efficiency of the photoanode and the carrier dynamics (i.e. separation/transport rate) at the photoanode/electrolyte interface. Herein, we report a photoanode architecture consisting of self-organized TiO 2 nanotubes (NTs) sensitized by CdS/CdSe quantum dots (QDs) and treated with a Cu-based solution to create a p-n heterojunction. Our results demonstrate that the TiO 2 NTs/QDs PEC device yields a photocurrent density of 4.18 mA.cm −2 at 0.5 V vs RHE, which is 51 times higher than the device based on TiO 2 NTs only (i.e., 0.08 mA.cm −2 ) and 7 times compared to TiO 2 /QDs nanoparticles (NPs) (i.e. 0.45 mA.cm −2 ) under one sun illumination. The p-type CuSe coating over the TiO 2 /QDs NTs photoanodes forms a p-n heterojunction that improves the carrier dynamics. The resulting PEC device shows a 13% improvement in the photocurrent density. In addition, employing longer TiO 2 NTs improves the device's stability. Our results offer a simple and scalable method for the design and optimization of the photoanodes to enhance the performance of PEC and other optoelectronic devices.
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