酸素空孔変調型ホモ接合構造CuBiOフォトカソードによる効率的な太陽電池水還元の実現

A oxygen vacancy-modulated homojunction structural CuBiO photocathodes for efficient solar water reduction.

• Shenqi Wei
• Chenglong Wang
• Xuefeng Long
• Tong Wang
• Peng Wang
• Mingrui Zhang
• Shuwen Li
• Jiantai Ma
• Jun Jin
• Lan Wu

抄録

CuBi2O4(CBO)系光電面の水還元性能は、バルク及び表面電荷分離効率が低いため、理論値とは程遠いものであった。ここでは、Znを添加したCBO(CBO/Zn-CBO)上にCBOをコーティングした光電面を作製するための再成長戦略を提案する。さらに、CBO/Zn-CBOのNaBH4処理により、CBO/Zn-CBO上に酸素空孔を導入した。その結果、ZnドープはCBOの電荷キャリア濃度を高めるだけでなく、ホモ接合を形成するための適切なバンド配向をもたらすことがわかった。このホモ接合は電子-正孔対の分離を効果的に促進することができるため、優れた光電流密度(0.3V対RHEで0.5mA cm-2)と電荷分離効率(CBOの1.5倍)を得ることができた。次の表面処理により、CBO/Zn-CBO上にOvが誘導され、表面触媒反応の活性面積が大幅に増加し、光電流密度(0.6 mA cm-2)がさらに向上した。共触媒を用いない場合、Ov/CBO/Zn-CBOの電子注入効率はCBOの1.47倍に向上した。今回の成果は、Ov変調型ホモ接合光電面を実証したものであり、今後の光電気化学的な水の分割に新たな展望を提供するものである。

The photoelectrochemical (PEC) water reduction performance of CuBi2O4 (CBO)-based photocathodes is still far from their theoretical values due to low bulk and surface charge separation efficiencies. Herein, we propose a regrowth strategy to prepare a photocathode with CBO coating on Zn-doped CBO (CBO/Zn-CBO). Furthermore, NaBH4 treatment of CBO/Zn-CBO introduced oxygen vacancies (Ov) on CBO/Zn-CBO. It was found that Zn-doping not only increases the charge carrier concentration of CBO, but also leads to appropriate band alignment to form homojunctions. This homojunction can effectively promote the separation of electron-hole pairs, thus obtaining excellent photocurrent density (0.5 mA cm-2 at 0.3 V vs. RHE) and charge separation efficiency (1.5 times than CBO). The following surface treatment induced Ov on CBO/Zn-CBO, which significantly increased the active area of the surface catalytic reaction and further enhanced the photocurrent density (0.6 mA cm-2). In the absence of cocatalysts, the electron injection efficiency of Ov/CBO/Zn-CBO was 1.47 times improved than that of CBO. This work demonstrates a homojunction photocathode with Ov modulation, which provides a new view for future photoelectrochemical water splitting.