Thermodynamic Oxidation and Reduction Potentials of Photocatalytic Semiconductors in Aqueous Solution

Pourbaix图 半导体 水溶液 光催化 化学 电化学 氧化物 带隙 价(化学) 化学稳定性 材料科学 波段图 无机化学 金属 氧化还原 光化学 化学物理 物理化学 电极 光电子学 催化作用 有机化学
作者
Shiyou Chen,Lin‐Wang Wang
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:24 (18): 3659-3666 被引量:703
标识
DOI:10.1021/cm302533s
摘要

An approach is introduced to calculate the thermodynamic oxidation and reduction potentials of semiconductors in aqueous solution. By combining a newly developed ab initio calculation method for compound formation energy and band alignment with electrochemistry experimental data, this approach can be used to predict the stability of almost any compound semiconductor in aqueous solution. Thirty photocatalytic semiconductors have been studied, and a graph (a simplified Pourbaix diagram) showing their valence/conduction band edges and oxidation/reduction potentials relative to the water redox potentials is produced. On the basis of this graph, the thermodynamic stabilities and trends against the oxidative and reductive photocorrosion for compound semiconductors are analyzed, which shows the following: (i) some metal oxides can be resistant against the oxidation by the photogenerated holes when used as the n-type photoanodes; (ii) all the nonoxide semiconductors are susceptible to oxidation, but they are resistant to the reduction by the photogenerated electrons and thus can be used as the p-type photocathodes if protected from the oxidation; (iii) doping or alloying the metal oxide with less electronegative anions can decrease the band gap but also degrade the stability against oxidation.
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