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The kinetics of metal oxide photoanodes from charge generation to catalysis

氧化物 材料科学 光催化 光电化学电池 载流子 催化作用 光电化学 分解水 化学工程 纳米技术 光电子学 化学 电化学 电极 物理化学 生物化学 电解质 工程类 冶金
作者
Sacha Corby,Reshma R. Rao,Ludmilla Steier,James R. Durrant
出处
期刊:Nature Reviews Materials [Springer Nature]
卷期号:6 (12): 1136-1155 被引量:311
标识
DOI:10.1038/s41578-021-00343-7
摘要

Generating charge carriers with lifetimes long enough to drive catalysis is a critical aspect for photoelectrochemical and photocatalytic systems, and a key determinant of their efficiency. Metal oxides are widely explored as photoanodes for photoelectrochemical water oxidation. However, their application is limited by the disparity between the picosecond–nanosecond lifetimes of electrons and holes photoexcited in bulk metal oxides versus the millisecond–second timescale of water oxidation catalysis. This Review addresses the charge-carrier dynamics underlying the performance of metal oxide photoanodes and their ability to drive photoelectrochemical water oxidation, alongside comparison with metal oxide function in photocatalytic and electrocatalytic systems. We assess the dominant kinetic processes determining photoanode performance, namely, charge generation, polaron formation and charge trapping, bulk and surface recombination, charge separation and extraction, and, finally, the kinetics of water oxidation catalysis. We examine approaches to enhance performance, including material selection, doping, nanostructuring, junction formation and/or co-catalyst deposition. Crucially, we examine how such performance enhancements can be understood from analyses of carrier dynamics and propose design guidelines for further material or device optimization. Metal oxides are widely used in photoelectrochemical and photocatalytic systems for fuel synthesis and environmental remediation. In this Review, we examine the kinetic challenges, from charge generation to water oxidation catalysis, that determine the performance of metal oxide photo(electro)catalysts.
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