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Heterogeneous doping via charge carrier transport improves Photoelectrochemical H2O oxidative H2O2 synthesis

兴奋剂 选择性 载流子 分解水 材料科学 能量转换效率 钝化 化学 化学工程 光电子学 纳米技术 无机化学 光催化 催化作用 有机化学 工程类 图层(电子)
作者
Jinwei Bai,Rui‐Ting Gao,Nhat Truong Nguyen,Xianhu Liu,Xueyuan Zhang,Lei Wang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:466: 142984-142984 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.142984
摘要

Photoelectrochemical (PEC) water splitting into H2O2 and H2 has attracted significant attention due to its low cost and sustainability. However, slow charge carrier transport and water oxidation kinetics limit the selectivity for H2O2 production and solar conversion efficiency. Herein, we propose a heterogeneous doping approach that combines surface gradient doping with bulk doping to improve the charge carrier transport in the photoelectrode. Inducing gradient Nb and homogeneous Mo doping into BiVO4 photoanode (G-Nb/Mo:BVO) can promote charge separation and carrier transfer, leading to the high selectivity for H2O2 generation and suppression of O2 production. Consequently, the heterogeneously doped G-Nb/Mo:BVO photoanode presents an average Faraday efficiency (FE) of over 80% for H2O2 production in a wide potential of 0.6–1.8 VRHE with the maximum FE of 83.7% at 1.2 VRHE under AM 1.5G illumination. More importantly, H2O2 production rate can reach 1.23 μmol min−1 cm−2 at 1.23 VRHE, representing the best H2O2 production rate reported for the photoelectrodes. Density functional theory calculations prove that Mo and Nb co-doping increases the reactivity of BiVO4 and improves 2e− water oxidation reaction activity and selectivity. This work demonstrates that heterogeneous doping provides a cost-effective strategy to break performance trade-offs by improving charge carrier separation and transport in light absorbers, and modulating the selectivity and activity of water oxidation reaction to generate H2O2, which can be extended to other photocatalytic reactions.
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