Engineering the interface and surface structures of semiconductor-based photoelectrodes for improved charge transfer dynamics and promoted water redox reaction kinetics is essential to achieve efficient photoelectrochemical (PEC) water splitting. In this work, α-Fe2O3 nanorods, successively coated with TiO2 and CoOx thin layers, were reported as the photoanode for solar-driven water oxidation. The obtained α-Fe2O3/TiO2/CoOx photoanode exhibits superior PEC performance as compared to bare α-Fe2O3, with a 3.3-time improvement in photocurrent density at 1.23 V vs reversible hydrogen electrode. This significant enhancement results from the formed heterojunction between α-Fe2O3 and TiO2 for the accelerated photogenerated charge separation and transfer as well as the passivated surface defects by the TiO2 overlayer for reduced charge recombination. Additionally, the existence of CoOx as the oxygen evolution catalyst significantly facilitates the surface reaction kinetics and thus reduces the overpotential for water oxidation. This study demonstrates a collaborative strategy of interface and surface engineering to design novel structures of α-Fe2O3 based photoanodes for highly efficient solar water oxidation.
REFERENCES
1.
N. S.
Lewis
, Science
351
, aad1920
(2016
).2.
A.
Fujishima
and K.
Honda
, Nature
238
, 37
(1972
).3.
Z.
Li
, W.
Luo
, M.
Zhang
, J.
Feng
, and Z.
Zou
, Energy Environ. Sci.
6
, 347
(2013
).4.
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
).5.
Q.
Zeng
, J.
Li
, L.
Li
, J.
Bai
, L.
Xia
, and B.
Zhou
, Appl. Catal., B
217
, 21
(2017
).6.
W.
Zhang
, D.
Yan
, X.
Tong
, and M.
Liu
, Adv. Funct. Mater.
28
, 1705512
(2018
).7.
M.
Barroso
, C. A.
Mesa
, S. R.
Pendlebury
, A. J.
Cowan
, T.
Hisatomi
, K.
Sivula
, M.
Grätzel
, D. R.
Klug
, and J. R.
Durrant
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
, 15640
(2012
).8.
H.
Lin
, X.
Long
, Y.
An
, D.
Zhou
, and S.
Yang
, Nano Lett.
19
, 455
(2018
).9.
L.
Mao
, Y.-C.
Huang
, Y.
Fu
, C.-L.
Dong
, and S.
Shen
, Sci. Bull.
64
, 1262
(2019
).10.
K.
Sivula
, F.
Le Formal
, and M.
Grätzel
, ChemSusChem
4
, 432
(2011
).11.
S.
Shen
, J.
Jiang
, P.
Guo
, C. X.
Kronawitter
, S. S.
Mao
, and L.
Guo
, Nano Energy
1
, 732
(2012
).12.
Y.
Fu
, Y.-R.
Lu
, F.
Ren
, Z.
Xing
, J.
Chen
, P.
Guo
, W.-F.
Pong
, C.-L.
Dong
, L.
Zhao
, and S.
Shen
, Sol. RRL
4
, 1900349
(2020
).13.
S. K.
Mohapatra
, S. E.
John
, S.
Banerjee
, and M.
Misra
, Chem. Mater.
21
, 3048
(2009
).14.
S.
Shen
, S. A.
Lindley
, X.
Chen
, and J. Z.
Zhang
, Energy Environ. Sci.
9
, 2744
(2016
).15.
X.
Chen
, Y.
Li
, and S.
Shen
, J. Phys. D: Appl. Phys.
51
, 163002
(2018
).16.
Y.
Li
, X.
Wei
, B.
Zhu
, H.
Wang
, Y.
Tang
, T. C.
Sum
, and X.
Chen
, Nanoscale
8
, 11284
(2016
).17.
Y.
Li
, L.
Zhang
, R.
Liu
, Z.
Cao
, X.
Sun
, X.
Liu
, and J.
Luo
, ChemCatChem
8
, 2765
(2016
).18.
S.
Biswas
, J.
Husek
, S.
Londo
, E. A.
Fugate
, and L. R.
Baker
, Phys. Chem. Chem. Phys.
20
, 24545
(2018
).19.
X.
Li
, P. S.
Bassi
, P. P.
Boix
, Y.
Fang
, and L. H.
Wong
, ACS Appl. Mater. Interfaces
7
, 16960
(2015
).20.
T.
Hisatomi
, F.
Le Formal
, M.
Cornuz
, J.
Brillet
, N.
Tétreault
, K.
Sivula
, and M.
Grätzel
, Energy Environ. Sci.
4
, 2512
(2011
).21.
Y.
Guo
, Y.
Fu
, Y.
Liu
, and S.
Shen
, RSC Adv.
4
(70
), 36967
(2014
).22.
S.
Kment
, Z.
Hubicka
, J.
Krysa
, D.
Sekora
, M.
Zlamal
, J.
Olejnicek
, M.
Cada
, P.
Ksirova
, Z.
Remes
, P.
Schmuki
, E.
Schubert
, and R.
Zboril
, Appl. Catal., B
165
, 344
(2015
).23.
S. D.
Tilley
, M.
Cornuz
, K.
Sivula
, and M.
Grätzel
, Angew. Chem., Int. Ed.
49
, 6405
(2010
).24.
B.
Klahr
, S.
Gimenez
, F.
Fabregat-Santiago
, J.
Bisquert
, and T. W.
Hamann
, J. Am. Chem. Soc.
134
, 16693
(2012
).25.
L.
Xi
, P. D.
Tran
, S. Y.
Chiam
, P. S.
Bassi
, W. F.
Mak
, H. K.
Mulmudi
, S. K.
Batabyal
, J.
Barber
, J. S. C.
Loo
, and L. H.
Wong
, J. Phys. Chem. C
116
, 13884
(2012
).26.
K. M. H.
Young
and T. W.
Hamann
, Chem. Commun.
50
, 8727
(2014
).27.
P.
Kuang
, L.
Zhang
, B.
Cheng
, and J.
Yu
, Appl. Catal., B
218
, 570
(2017
).28.
W.
Ma
, X.
Wu
, K.
Huang
, M.
Wang
, R.
Fu
, H.
Chen
, and S.
Feng
, Sustainable Energy Fuels
3
, 2135
(2019
).29.
L.
Vayssieres
, N.
Beermann
, S.-E.
Lindquist
, and A.
Hagfeldt
, Chem. Mater.
13
, 233
(2001
).30.
X.
Chen
, Y.
Fu
, T.
Kong
, Y.
Shang
, F.
Niu
, Z.
Diao
, and S.
Shen
, Eur. J. Inorg. Chem.
2019
, 2078
.31.
Y.
Fu
, C. L.
Dong
, W.
Zhou
, Y. R.
Lu
, Y. C.
Huang
, Y.
Liu
, P.
Guo
, L.
Zhao
, W.-H.
Chou
, and S.
Shen
, Appl. Catal., B
260
, 118206
(2019
).32.
B.
Klahr
, S.
Gimenez
, F.
Fabregat-Santiago
, T.
Hamann
, and J.
Bisquert
, J. Am. Chem. Soc.
134
, 4294
(2012
).33.
M.
Wang
, M.
Pyeon
, Y.
Gönüllü
, A.
Kaouk
, S.
Shen
, L.
Guo
, and S.
Mathur
, Nanoscale
7
, 10094
(2015
).34.
N.
Kodan
, K.
Agarwal
, and B. R.
Mehta
, J. Phys. Chem. C
123
, 3326
(2019
).35.
M. C.
Biesinger
, B. P.
Payne
, A. P.
Grosvenor
, L. W. M.
Lau
, A. R.
Gerson
, and R. S. C.
Smart
, Appl. Surf. Sci.
257
, 2717
(2011
).36.
S.
Jiang
, T.
Shi
, H.
Long
, Y.
Sun
, W.
Zhou
, and Z.
Tang
, Nanoscale Res. Lett.
9
, 492
(2014
).37.
Y.
Chen
, S.
Zhao
, and Z.
Liu
, Phys. Chem. Chem. Phys.
17
, 14012
(2015
).38.
D.
Barreca
, G.
Carraro
, A.
Gasparotto
, C.
Maccato
, M. E. A.
Warwick
, K.
Kaunisto
, C.
Sada
, S.
Turner
, Y.
Gönüllü
, T.-P.
Ruoko
, L.
Borgese
, E.
Bontempi
, G.
Van Tendeloo
, H.
Lemmetyinen
, and S.
Mathur
, Adv. Mater. Interfaces
2
, 1500313
(2015
).39.
T. H.
Jeon
, G.-h.
Moon
, H.
Park
, and W.
Choi
, Nano Energy
39
, 211
(2017
).40.
C.
Li
, T.
Wang
, Z.
Luo
, S.
Liu
, and J.
Gong
, Small
12
, 3415
(2016
).41.
F.
Le Formal
, N.
Tétreault
, M.
Cornuz
, T.
Moehl
, M.
Grätzel
, and K.
Sivula
, Chem. Sci.
2
, 737
(2011
).42.
A. G.
Scheuermann
, J. D.
Prange
, M.
Gunji
, C. E. D.
Chidsey
, and P. C.
McIntyre
, Energy Environ. Sci.
6
, 2487
(2013
).43.
X.
Wan
, L.
Wang
, C.-L.
Dong
, G.
Menendez Rodriguez
, Y.-C.
Huang
, A.
Macchioni
, and S.
Shen
, ACS Energy Lett.
3
, 1613
(2018
).44.
Z.
Wang
, G.
Liu
, C.
Ding
, Z.
Chen
, F.
Zhang
, J.
Shi
, and C.
Li
, J. Phys. Chem. C
119
, 19607
(2015
).45.
A.
Banerjee
, B.
Mondal
, A.
Verma
, V. R.
Satsangi
, R.
Shrivastav
, A.
Dey
, and S.
Dass
, J. Catal.
352
, 83
(2017
).46.
A.
Irshad
and N.
Munichandraiah
, J. Electrochem. Soc.
162
, H235
(2015
).47.
X.
Yang
, C.
Du
, R.
Liu
, J.
Xie
, and D.
Wang
, J. Catal.
304
, 86
(2013
).48.
Z.
Luo
, C.
Li
, S.
Liu
, T.
Wang
, and J.
Gong
, Chem. Sci.
8
, 91
(2017
).49.
L.
He
, W.
Zhou
, L.
Hong
, D.
Wei
, G.
Wang
, X.
Shi
, and S.
Shen
, J. Phys. Chem. Lett.
10
, 2278
(2019
).50.
G.-Q.
Han
, Y.-R.
Liu
, W.-H.
Hu
, B.
Dong
, X.
Li
, X.
Shang
, Y.-M.
Chai
, Y.-Q.
Liu
, and C.-G.
Liu
, J. Electrochem. Soc.
163
, H67
(2016
).51.
X.
Feng
, Y.
Chen
, Z.
Qin
, M.
Wang
, and L.
Guo
, ACS Appl. Mater. Interfaces
8
, 18089
(2016
).52.
Z.
Fan
, Z.
Xu
, S.
Yan
, and Z.
Zou
, J. Mater. Chem. A
5
, 8402
(2017
).53.
S. T.
Senthilkumar
, R. K.
Selvan
, Y. S.
Lee
, and J. S.
Melo
, J. Mater. Chem. A
1
, 1086
(2013
).54.
F.
Malara
, A.
Minguzzi
, M.
Marelli
, S.
Morandi
, R.
Psaro
, V.
Dal Santo
, and A.
Naldoni
, ACS Catal.
5
, 5292
(2015
).55.
F.
Zhan
, W.
Liu
, W.
Li
, J.
Li
, Y.
Yang
, Y.
Li
, and Q.
Chen
, Int. J. Hydrogen Energy
41
, 11925
(2016
).56.
S. C.
Riha
, B. M.
Klahr
, E. C.
Tyo
, S.
Seifert
, S.
Vajda
, M. J.
Pellin
, T. W.
Hamann
, and A. B. F.
Martinson
, ACS Nano
7
, 2396
(2013
).57.
A.
Subramanian
, M. A.
Mahadik
, J.-W.
Park
, I. K.
Jeong
, H.-S.
Chung
, H. H.
Lee
, S. H.
Choi
, W.-S.
Chae
, and J. S.
Jang
, Electrochim. Acta
319
, 444
(2019
).© 2020 Author(s).
2020
Author(s)
You do not currently have access to this content.
