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Molecular Photoelectrodes with Enhanced Photogenerated Charge Transport for Efficient Solar Hydrogen Evolution

化学 电荷(物理) 光化学 太阳能燃料 太阳能转换 光电化学 化学物理 纳米技术 光电子学 太阳能 光催化 电极 物理化学 电化学 催化作用 有机化学 生态学 物理 材料科学 量子力学 生物
作者
Yifan Gao,Feiqing Sun,Yanjie Fang,Yingke Wen,Feiyang Hong,Bing Shan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (9): 7671-7681 被引量:19
标识
DOI:10.1021/jacs.4c17133
摘要

Photoelectrocatalytic cells for seawater splitting have shown promise toward large-scale deployment; however, challenges remain in operation performances, which outline clear research needs to scale up photoelectrodes with small loss of efficiency. Here, we report an approach for scalable and robust solar H2 evolution by enhancing photogenerated charge transport in a H2-evolving molecular photoelectrode. The photoelectrode is based on p-type conjugated polymers that are homogeneously distributed in a polycarbazole network. With a self-assembled NiS2 catalyst, the photoelectrode under solar irradiation (100 mW cm-2, AM 1.5 G) is capable of evolving H2 from seawater at an external quantum efficiency (EQE) of 34.4% under an applied bias of -0.06 V vs RHE. When scaling up from 1 cm2 to 25 cm2, the photoelectrode generates photocurrents stabilized at 0.4 A and maintains the high EQE at an efficiency loss of less than 1%. Investigation of the photogenerated charge-transport dynamics reveals that the kinetic basis for scaling up lies in the desirable hole diffusion length that far exceeds the spacing between adjacent conjugated-polymer chains due to interchain π-π interactions.
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