Bias-free visible light-driven photoelectrochemical water splitting of type II ZnO/CuS core/shell heterojunction nanotube arrays

异质结 光电流 分解水 材料科学 可见光谱 光电子学 吸收(声学) 纳米颗粒 半导体 纳米技术 光催化 化学 生物化学 复合材料 催化作用
作者
Chengwei Hu,Qi Wang,Bing Lv,Wenzhong Wang
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier]
卷期号:48 (58): 21996-22008 被引量:24
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.03.083
摘要

Solar-driven water splitting of semiconductor photoelectrodes via photoelectrochemical (PEC) cell has been regarded as the most promising approach to mitigate the energy crisis and environmental issues in the future. In this work, CuS nanoparticles (NPs) are deposited on ZnO nanotube arrays (ZnO/CuS NTAs) via successive ion layer absorption and reaction method for PEC water splitting under visible light irradiation without applying bias. The excellent light harvesting capacity of CuS NPs from visible to near infrared region not only expands the light harvesting of ZnO NTAs into near infrared region, but also substantially boosts light absorption ranging from 300 to 800 nm. Moreover, CuS NPs coupled on ZnO NTAs can establish a type-II band alignment between ZnO and CuS. Consequently, the ZnO/CuS NTAs photoanode exhibits the significantly boosted PEC water splitting performance under visible light illumination (λ > 420 nm) without applying bias. The photocurrent density of the ZnO/CuS NTAs photoanode is 21.2 μA/cm2, which is increased by 9 times compared to that of the pure ZnO NTAs photoanode. The enhancement in PEC water splitting performance for ZnO/CuS NTAs is attributed to (i) the cooperative actions of ZnO and CuS; (ii) significant enhancement in light absorption from the visible to near infrared region achieved by CuS NPs and (iii) efficient charge carrier separation achieved by type-II band alignment.
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