A superlattice interface and S-scheme heterojunction for ultrafast charge separation and transfer in photocatalytic H2 evolution

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作者
Sijie Wan,Wang Wang,Bei Cheng,Guoqiang Luo,Qiang Shen,Jiaguo Yu,Jianjun Zhang,Shaowen Cao,Lianmeng Zhang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-53951-6
摘要

The rapid recombination of photoinduced charge carriers in semiconductors fundamentally limits their application in photocatalysis. Herein, we report that a superlattice interface and S-scheme heterojunction based on Mn0.5Cd0.5S nanorods can significantly promote ultrafast charge separation and transfer. Specifically, the axially distributed zinc blende/wurtzite superlattice interfaces in Mn0.5Cd0.5S nanorods can redistribute photoinduced charge carriers more effectively when boosted by homogeneous internal electric fields and promotes bulk separation. Accordingly, S-scheme heterojunctions between the Mn0.5Cd0.5S nanorods and MnWO4 nanoparticles can further accelerate the surface separation of charge carriers via a heterogeneous internal electric field. Subsequent capture of the photoelectrons by adsorbed H2O is as fast as several picoseconds which results in a photocatalytic H2 evolution rate of 54.4 mmol·g−1·h−1 without any cocatalyst under simulated solar irradiation. The yields are increased by a factor of ~5 times relative to control samples and an apparent quantum efficiency of 63.1% at 420 nm is measured. This work provides a protocol for designing synergistic interface structure for efficient photocatalysis. Limited charge separation is a major challenge in creating efficient semiconductor photocatalysis. This work introduces a superlattice interface and S-scheme heterojunction for ultrafast charge separation and transfer in photocatalytic H2 evolution.
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