Because the oxygen evolution reaction (OER) involves a complicated four-electron process, reducing the overpotential for the OER by loading cocatalysts at as high a concentration as possible is critical for achieving efficient photoelectrochemical (PEC) water oxidation. However, such surface modifications should also be designed to not interfere with the bandgap photoexcitation of the light-absorbing materials. In the present study, cobalt-phosphate-loaded TiO2 (CoPi/TiO2) nanoparticles were used to modify a particulate BaTaO2N (BTON) photoanode, resulting in an improvement in the photoanode PEC OER performance. The TiO2 nanoparticles functioned as a transparent and conductive support with a high specific surface area to immobilize CoPi on the photoanode surface. Electrochemical measurements revealed that the CoPi/TiO2 modification led to improved reaction kinetics and that the electrochemically active surface area of the CoPi cocatalysts deposited on the electrode surface substantially increased by a factor of 7.45 as a result of the TiO2 modification. The CoPi/TiO2 modification increased the number of active sites on the surface of the particulate BTON photoanode and minimized the harmful influence of light shielding, thereby accelerating the OER kinetics.

1.
N.
Roy
,
N.
Suzuki
,
C.
Terashima
, and
A.
Fujishima
,
Bull. Chem. Soc. Jpn.
92
,
178
(
2019
).
2.
T.
Hisatomi
,
J.
Kubota
, and
K.
Domen
,
Chem. Soc. Rev.
43
,
7520
(
2014
).
3.
Y.
Wang
,
H.
Suzuki
,
J.
Xie
,
O.
Tomita
,
D. J.
Martin
,
M.
Higashi
,
D.
Kong
,
R.
Abe
, and
J.
Tang
,
Chem. Rev.
118
,
5201
(
2018
).
4.
A.
Fujishima
and
K.
Honda
,
Nature
238
,
37
(
1972
).
5.
H.
Kato
,
K.
Asakura
, and
A.
Kudo
,
J. Am. Chem. Soc.
125
,
3082
(
2003
).
6.
K.
Watanabe
,
A.
Iwase
, and
A.
Kudo
,
Chem. Sci.
11
,
2330
(
2020
).
7.
T.
Takata
,
J.
Jiang
,
Y.
Sakata
,
M.
Nakabatashi
,
N.
Shibata
,
V.
Nandal
,
K.
Seki
,
T.
Hisatomi
, and
K.
Domen
,
Nature
581
,
411
(
2020
).
8.
A.
Kudo
and
Y.
Miseki
,
Chem. Soc. Rev.
38
,
253
(
2009
).
9.
B. A.
Pinaud
,
J. D.
Benck
,
L. C.
Seitz
,
A. J.
Forman
,
Z.
Chen
,
T. G.
Deutsch
,
B. D.
James
,
K. N.
Baum
,
G. N.
Baum
,
S.
Ardo
,
H.
Wang
,
E.
Miller
, and
T. F.
Jaramillo
,
Energy Environ. Sci.
6
,
1983
(
2013
).
10.
S.
Nandy
,
Y.
Goto
,
T.
Hisatomi
,
Y.
Moriya
,
T.
Minegishi
,
M.
Katayama
, and
K.
Domen
,
ChemPhotoChem
1
,
265
(
2017
).
11.
J.
Seo
,
H.
Nishiyama
,
T.
Yamada
, and
K.
Domen
,
Angew. Chem., Int. Ed.
57
,
8396
(
2018
).
12.
M. G.
Walter
,
E. L.
Warren
,
J. R.
McKone
,
S. W.
Boettcher
,
Q.
Mi
,
E. A.
Santori
, and
N. S.
Lewis
,
Chem. Rev.
110
,
6446
(
2010
).
13.
Q.
Chen
,
J.
Li
,
X.
Li
,
K.
Huang
,
B.
Zhou
, and
W.
Shangguan
,
ChemSusChem
6
,
1276
(
2013
).
14.
L.
Pan
,
J. H.
Kim
,
M. T.
Mayer
,
M.-K.
Son
,
A.
Ummadisingu
,
J. S.
Lee
,
A.
Hagfeldt
,
J.
Luo
, and
M.
Grätzel
,
Nat. Catal.
1
,
412
(
2018
).
15.
A.
Song
,
P.
Bogdanoff
,
A.
Esau
,
I. Y.
Ahmet
,
I.
Levine
,
T.
Dittrich
,
T.
Unold
,
R.
van de Krol
, and
S. P.
Berglund
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
13959
(
2020
).
16.
J.
Yang
,
D.
Wang
,
H.
Han
, and
C.
Li
,
Acc. Chem. Res.
46
,
1900
(
2013
).
17.
M. W.
Kanan
and
D. G.
Nocera
,
Science
321
,
1072
(
2008
).
18.
H.
Kumagai
,
T.
Minegishi
,
N.
Sato
,
T.
Yamada
,
J.
Kubota
, and
K.
Domen
,
J. Mater. Chem. A
3
,
8300
(
2015
).
19.
K.
Maeda
,
N.
Sakamoto
,
T.
Ikeda
,
H.
Ohtsuka
,
A.
Xiong
,
D.
Lu
,
M.
Kanehara
,
T.
Yeranishi
, and
K.
Domen
,
Chem. Eur. J.
16
,
7750
(
2010
).
20.
A.
Xiong
,
T.
Yoshinaga
,
T.
Ikeda
,
M.
Takashima
,
T.
Hisatomi
,
K.
Maeda
,
T.
Setoyama
,
T.
Teranishi
, and
K.
Domen
,
Eur. J. Inorg. Chem
2014
,
767
.
21.
F.
Zhang
,
A.
Yamakata
,
K.
Maeda
,
Y.
Moriya
,
T.
Takata
,
J.
Kubota
,
K.
Teshima
,
S.
Oishi
, and
K.
Domen
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
8348
(
2012
).
22.
F.
Yu
,
H.
Zhou
,
Y.
Huang
,
J.
Sun
,
F.
Qin
,
J.
Bao
,
W. A.
GoddardIII
,
S.
Chen
, and
Z.
Ren
,
Nat. Commun.
9
,
2551
(
2018
).
23.
W. D.
Chemelewski
,
H.-C.
Lee
,
J.-F.
Lin
,
A. J.
Bard
, and
C. B.
Mullins
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
2843
(
2014
).
24.
Y.
Wei
,
G.
Cheng
,
J.
Xiong
,
F.
Xu
, and
R.
Chen
,
ACS Sustainable Chem. Eng.
5
,
5027
(
2017
).
25.
C.
Ding
,
J.
Shi
,
Z.
Wang
, and
C.
Li
,
ACS Catal.
7
,
675
(
2017
).
26.
Y.
Kageshima
,
T.
Fujita
,
F.
Takagi
,
T.
Minegishi
,
K.
Teshima
,
K.
Domen
,
Y.
Amao
, and
H.
Nishikiori
,
ChemElectroChem
6
,
4859
(
2019
).
27.
F.
Xue
,
Y.
Si
,
M.
Wang
,
M.
Li
, and
L.
Guo
,
Nano Energy
62
,
823
(
2019
).
28.
B.
Tian
,
B.
Tian
,
B.
Smith
,
M. C.
Scott
,
R.
Hua
,
Q.
Lei
, and
Y.
Tian
,
Nat. Commun.
9
,
1397
(
2018
).
29.
J.
Liu
,
Y.
Liu
,
N.
Liu
,
Y.
Han
,
X.
Zhang
,
H.
Huang
,
Y.
Lifshitz
,
S.-T.
Lee
,
J.
Zhong
, and
Z.
Kang
,
Science
347
,
970
(
2015
).
30.
M.
Yoshida
,
T.
Mineo
,
Y.
Mitsutomi
,
F.
Yamamoto
,
H.
Kurosu
,
S.
Takakusagi
,
K.
Asakura
, and
H.
Kondoh
,
Chem. Lett.
45
,
277
(
2016
).
31.
K.
Ueda
,
T.
Minegishi
,
J.
Clune
,
M.
Nakabayashi
,
T.
Hisatomi
,
H.
Nishiyama
,
M.
Katayama
,
N.
Shibata
,
J.
Kubota
,
T.
Yamada
, and
K.
Domen
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
2227
(
2015
).
32.
J.
Seo
,
M.
Nakabayashi
,
T.
Hisatomi
,
N.
Shibata
,
T.
Minegishi
, and
K.
Domen
,
ACS Appl. Energy Mater.
2
,
5777
(
2019
).
33.
T.
Minegishi
,
N.
Nishimura
,
J.
Kubota
, and
K.
Domen
,
Chem. Sci.
4
,
1120
(
2013
).
34.
D. G.
Nocera
,
Acc. Chem. Res.
45
,
767
(
2012
).
35.
M. W.
Kanan
,
J.
Yano
,
Y.
Surendranath
,
M.
Dincă
,
V. K.
Yachandra
, and
D. G.
Nocera
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
13692
(
2010
).
36.
P.
Ketwong
,
S.
Yoshihara
,
S.
Takeuchi
,
M.
Takashima
, and
B.
Ohtani
,
J. Chem. Phys.
153
,
124709
(
2020
).
37.
J.
Zhang
,
J.
Cui
, and
S.
Eslava
,
Adv. Energy Mater.
11
,
2003111
(
2021
).
38.
M. R.
Nellist
,
J.
Qiu
,
F. A. L.
Laskowski
,
F. M.
Toma
, and
S. W.
Boettcher
,
ACS Energy Lett.
3
,
2286
(
2018
).
39.
S.
Hu
,
M. R.
Shaner
,
J. A.
Beardslee
,
M.
Lichterman
,
B. S.
Brunschwig
, and
N. S.
Lewis
,
Science
344
,
1005
(
2014
).
40.
J. B.
Jorcin
,
M. E.
Orazem
,
N.
Pebere
, and
B.
Tribollet
,
Electrochim. Acta
51
,
1473
(
2006
).
41.
F.
Takagi
,
Y.
Kageshima
,
K.
Tashima
,
K.
Domen
, and
H.
Nishikiori
,
Sustainable Energy Fuels
5
,
412
(
2021
).
42.
M. T.
McDowell
,
M. F.
Lichterman
,
A. I.
Carim
,
R.
Liu
,
S.
Hu
,
B. S.
Brunschwig
, and
N. S.
Lewis
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
15189
(
2015
).
43.
M. T.
McDowell
,
M. F.
Lichterman
,
J. M.
Spurgeon
,
S.
Hu
,
I. D.
Sharp
,
B. S.
Brunschwig
, and
N. S.
Lewis
,
J. Phys. Chem. C
118
,
19618
(
2014
).
44.
T.
Shinagawa
,
A. T.
Garcia-Esparza
, and
K.
Takanabe
,
Sci. Rep.
5
,
13801
(
2015
).
45.
L.
Yang
,
H.
Ren
,
Q.
Liang
,
K. N.
Dinh
,
R.
Dangol
, and
Q.
Yan
,
Small
16
,
1906766
(
2020
).
46.
J.
Qi
,
Y.-P.
Lin
,
D.
Chen
,
T.
Zhou
,
W.
Zhang
, and
R.
Cao
,
Angew. Chem., Int. Ed.
59
,
8917
(
2020
).
47.
H.
Zhao
and
Z.-Y.
Yuan
,
ChemCatChem
12
,
3797
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.