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VS2 wrapped Si nanowires as core-shell heterostructure photocathode for highly efficient photoelectrochemical water reduction performance

光电阴极 异质结 光电流 分解水 材料科学 纳米线 电催化剂 光电子学 纳米技术 光催化 化学 电化学 电极 电子 物理 物理化学 生物化学 量子力学 催化作用
作者
S. Gopalakrishnan,G. Paulraj,Mathan K. Eswaran,Avijeet Ray,Nirpendra Singh,K. Jeganathan
出处
期刊:Chemosphere [Elsevier BV]
卷期号:302: 134708-134708 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.chemosphere.2022.134708
摘要

Interfacing an electrocatalyst with photoactive semiconductor surfaces is an emerging strategy to enhance the photocathode performance for the solar water reduction reaction. Herein, a core-shell heterostructure photocathode consisting of vanadium disulfide (VS2) as a 2D layered electrocatalyst directly deposited on silicon nanowire (Si NWs) surface is realized via single-step chemical vapor deposition towards efficient hydrogen evolution under solar irradiation. In an electrochemical study, 2D VS2/Si NWs photocathode exhibits a saturated photocurrent density (17 mA cm-2) with a maximal photoconversion efficiency of 10.8% at -0.53 V vs. RHE in neutral electrolyte condition (pH∼7). Under stimulated irradiation, the heterostructure photocathode produces a hydrogen gas evolution around 23 μmol cm-2 h-1 (at 0 V vs. RHE). Further, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis reveals that the high performance of the core-shell photocathode is associated with the generation of the high density of electron-hole pairs and the separation of photocarriers with an extended lifetime. Density functional theory calculations substantiate that core-shell photocathodes are active at very low Gibbs free energy (ΔGH*) with abundant hydrogen evolution reaction (HER) active sulphur sites. The charge density difference plot with Bader analysis of heterostructure reveals the accumulation of electrons on the sulphur sites via modulating the electronic band structure near the interface. Thus, facilitates the barrier-free charge transport owing to the synergistic effect of Si NWs@2D-VS2 core-shell hybrid photocatalyst for enhanced solar water reduction performance.
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