Enhanced Spatial Charge Separation in a Niobium and Tantalum Nitride Core‐Shell Photoanode: In Situ Interface Bonding for Efficient Solar Water Splitting

光电流 氮化钽 材料科学 分解水 纳米技术 氮化物 纳米棒 纳米结构 光电子学 图层(电子) 光催化 化学 冶金 生物化学 催化作用
作者
Beibei Zhang,Zeyu Fan,Yutao Chen,Chao Feng,Shulong Li,Yanbo Li
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (36) 被引量:17
标识
DOI:10.1002/anie.202305123
摘要

Abstract Tantalum nitride (Ta 3 N 5 ) has emerged as a promising photoanode material for photoelectrochemical (PEC) water splitting. However, the inefficient electron‐hole separation remains a bottleneck that impedes its solar‐to‐hydrogen conversion efficiency. Herein, we demonstrate that a core–shell nanoarray photoanode of NbN x ‐nanorod@Ta 3 N 5 ultrathin layer enhances light harvesting and forms a spatial charge‐transfer channel, which leads to the efficient generation and extraction of charge carriers. Consequently, an impressive photocurrent density of 7 mA cm −2 at 1.23 V RHE is obtained with an ultrathin Ta 3 N 5 shell thickness of less than 30 nm, accompanied by excellent stability and a low onset potential (0.46 V RHE ). Mechanistic studies reveal the enhanced performance is attributed to the high‐conductivity NbN x core, high‐crystalline Ta 3 N 5 mono‐grain shell, and the intimate Ta−N−Nb interface bonds, which accelerate the charge‐separation capability of the core–shell photoanode. This study demonstrates the key roles of nanostructure design in improving the efficiency of PEC devices.
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