2-Photon tandem device for water splitting: Comparing photocathode first versus photoanode first designs

Energy and Environmental Science

Volumn 7, Issue 8, 2014, Pages 2397-2413

  Seger, Brian ^a   Castelli, Ivano E ^a   Vesborg, Peter C K ^a   Jacobsen, Karsten W ^a   Hansen, Ole ^a   Chorkendorff, Ib ^a  

^a TECHNICAL UNIVERSITY OF DENMARK   (Denmark)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CATALYSTS; ENERGY GAP; FACINGS; PHOTOCATHODES; PHOTONS;

BANDGAP MATERIALS; FILTER MATERIALS; HIGH THROUGHPUT; PHOTOCATALYTIC WATER SPLITTING; PROTECTION LAYERS; PROTECTIVE LAYERS; TRANSPARENT CATHODE; WATER SPLITTING;

DESIGN;

EID: 84904581200     PISSN: 17545692     EISSN: 17545706     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c4ee01335b     Document Type: Article

References (116)

1. M. F. Weber M. J. Dignam Int. J. Hydrogen Energy 1986 11 225 232
2. S. Haussener C. Xiang J. M. Spurgeon S. Ardo N. S. Lewis A. Z. Weber Energy Environ. Sci. 2012 5 9922 9935
3. S. Hu C. Xiang S. Haussener A. D. Berger N. S. Lewis Energy Environ. Sci. 2013 6 2984 2993
4. M. C. Hanna A. J. Nozik J. Appl. Phys. 2006 100 074510
5. A. B. Laursen S. Kegnaes S. Dahl I. Chorkendorff Energy Environ. Sci. 2012 5 5577 5591
6. L. C. Seitz Z. Chen A. J. Forman B. A. Pinaud J. D. Benck T. F. Jaramillo ChemSusChem 2014 7 1372 1385
7. M. D. Archer J. R. Bolton J. Phys. Chem. 1990 94 8028 8036
8. S. Haussener S. Hu C. Xiang A. Z. Weber N. S. Lewis Energy Environ. Sci. 2013 6 3605 3618
9. W. Shockley H. J. Queisser J. Appl. Phys. 1961 32 510 519
10. B. D. James, G. N. Baum, J. Perez and K. N. Baum, Technoeconomic Analysis of Photoelectrochemical (PEC) Hydrogen Production, Directed Technologies Inc., 2009, p. 128, https://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/pec- technoeconomic-analysis.pdf
11. D. G. Nocera Acc. Chem. Res. 2012 45 767 776
12. M. Graetzel, M. Gratzel and P. Liska, Hydrogen Solar Ltd, WO2007066087 A2, 2007
13. M. Gratzel Nature 2001 414 338 344
14. A. J. Nozik Appl. Phys. Lett. 1977 30 567 569
15. O. Khaselev J. A. Turner Science 1998 280 425 427
16. J. R. McKone N. S. Lewis H. B. Gray Chem. Mater. 2014 26 407 414
17. C. C. L. McCrory S. Jung J. C. Peters T. F. Jaramillo J. Am. Chem. Soc. 2013 135 16977 16987
18. B. Seger T. Pedersen A. B. Laursen P. C. K. Vesborg O. Hansen I. Chorkendorff J. Am. Chem. Soc. 2013 135 1057 1064
19. R. Subbaraman D. Tripkovic D. Strmcnik K.-C. Chang M. Uchimura A. P. Paulikas V. Stamenkovic N. M. Markovic Science 2011 334 1256 1260
20. G. Ceder Y. M. Chiang D. R. Sadoway M. K. Aydinol Y. I. Jang B. Huang Nature 1998 392 694 696
21. W. Setyawan R. M. Gaume S. Lam R. S. Feigelson S. Curtarolo ACS Comb. Sci. 2011 13 382 390
22. N. M. O'Boyle C. M. Campbell G. R. Hutchison J. Phys. Chem. C 2011 115 16200 16210
23. R. Olivares-Amaya C. Amador-Bedolla J. Hachmann S. Atahan-Evrenk R. S. Sanchez-Carrera L. Vogt A. Aspuru-Guzik Energy Environ. Sci. 2011 4 4849 4861
24. W.-J. Yin H. Tang S.-H. Wei M. M. Al-Jassim J. Turner Y. Yan Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2010 82 045106
25. M. d'Avezac J.-W. Luo T. Chanier A. Zunger Phys. Rev. Lett. 2012 108 027401
26. I. E. Castelli T. Olsen S. Datta D. D. Landis S. Dahl K. S. Thygesen K. W. Jacobsen Energy Environ. Sci. 2012 5 5814 5819
27. I. E. Castelli D. D. Landis K. S. Thygesen S. Dahl I. Chorkendorff T. F. Jaramillo K. W. Jacobsen Energy Environ. Sci. 2012 5 9034 9043
28. I. E. Castelli J. M. Garcia-Lastra F. Hüser K. S. Thygesen K. W. Jacobsen New J. Phys. 2013 15 105026
29. I. E. Castelli K. S. Thygesen K. W. Jacobsen Top. Catal. 2014 57 265 272
30. K. A. Persson B. Waldwick P. Lazic G. Ceder Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2012 85 235438
31. I. E. Castelli, F. Hüser, M. Pandey, H. Li, B. Seger, K. S. Thygesen, A. Jain, K. Persson, G. Ceder and K. W. Jacobsen, 2014, submitted
32. P. C. K. Vesborg T. F. Jaramillo RSC Adv. 2012 2 7933 7947
33. D. Parker A. F. May H. Wang M. A. McGuire B. C. Sales D. J. Singh Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2013 87 045205
34. M. F. Mansuetto P. M. Keane J. A. Ibers J. Solid State Chem. 1993 105 580 587
35. N. Nguyen F. Sriti C. Martin F. Bouree J. M. Greneche A. Ducouret F. Studer B. Raveau J. Phys.: Condens. Matter 2002 14 12629 12640
36. R. Moubah S. Colis G. Schmerber J. Petersen A. Dinia Appl. Phys. Lett. 2009 94 141907
37. A. Kongkanand K. Tvrdy K. Takechi M. Kuno P. V. Kamat J. Am. Chem. Soc. 2008 130 4007 4015
38. A. Kay I. Cesar M. Graetzel J. Am. Chem. Soc. 2006 128 15714 15721
39. J. H. Kennedy K. W. Frese J. Electrochem. Soc. 1978 125 709 714
40. L. A. Marusak R. Messier W. B. White J. Phys. Chem. Solids 1980 41 981 984
41. J. Y. Kim G. Magesh D. H. Youn J.-W. Jang J. Kubota K. Domen J. S. Lee Sci. Rep. 2013 3 2681
42. Y. Liang T. Tsubota L. P. A. Mooij R. van de Krol J. Phys. Chem. C 2011 115 17594 17598
43. M. R. Shaner K. T. Fountaine S. Ardo R. H. Coridan H. A. Atwater N. S. Lewis Energy Environ. Sci. 2014 7 779 790
44. F. F. Abdi N. Firet R. van de Krol ChemCatChem 2013 5 490 496
45. W. Kim T. Tachikawa D. Monllor-Satoca H.-i. Kim T. Majima W. Choi Energy Environ. Sci. 2013 6 3732 3739
46. S. W. Boettcher E. L. Warren M. C. Putnam E. A. Santori D. Turner-Evans M. D. Kelzenberg M. G. Walter J. R. McKone B. S. Brunschwig H. A. Atwater N. S. Lewis J. Am. Chem. Soc. 2011 133 1216 1219
47. S. W. Boettcher J. M. Spurgeon M. C. Putnam E. L. Warren D. B. Turner-Evans M. D. Kelzenberg J. R. Maiolo H. A. Atwater N. S. Lewis Science 2010 327 185 187
48. B. Seger A. B. Laursen P. C. K. Vesborg T. Pedersen O. Hansen S. Dahl I. Chorkendorff Angew. Chem., Int. Ed. 2012 51 9128 9131
49. M. Pourbaix, Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions, National Association of Corrosion Engineers, 1974
50. Y. Hou B. L. Abrams P. C. K. Vesborg M. E. Bjorketun K. Herbst L. Bech B. Seger T. Pedersen O. Hansen J. Rossmeisl S. Dahl J. K. Norskov I. Chorkendorff J. Photonics Energy 2012 2 026001
51. B. Kaiser D. Fertig J. Ziegler J. Klett S. Hoch W. Jaegermann ChemPhysChem 2012 13 3053 3060
52. C. G. Morales-Guio S. D. Tilley H. Vrubel M. Gratzel X. Hu Nat. Commun. 2014 5 3059
53. R. C. Kainthla B. Zelenay J. O. Bockris J. Electrochem. Soc. 1986 133 248 253
54. A. Q. Contractor J. O. M. Bockris Electrochim. Acta 1984 29 1427 1434
55. G. Hodes L. Thompson J. Dubow K. Rajeshwar J. Am. Chem. Soc. 1983 105 324 330
56. F. R. F. Fan R. G. Keil A. J. Bard J. Am. Chem. Soc. 1983 105 220 224
57. D. S. Ginley R. J. Baughman M. A. Butler J. Electrochem. Soc. 1983 130 1999 2002
58. L. Trotochaud T. J. Mills S. W. Boettcher J. Phys. Chem. Lett. 2013 4 931 935
59. Y. Hou, B. L. Abrams, P. C. K. Vesborg, M. E. Bjorketun, K. Herbst, L. Bech, B. Seger, T. Pedersen, O. Hansen, J. Rossmeisl, S. Dahl, J. K. Norskov and I. Chorkendorff, in Conference on Solar Hydrogen and Nanotechnology VI, San Diego, CA, 2011
60. C. Langhammer B. Kasemo I. Zoric J. Chem. Phys. 2007 126 194702
61. E. D. Palik and G. Ghosh, Handbook of optical constants of solids five-volume set/Elektronische Daten, Academic Press, 1991
62. B. E. Conway B. V. Tilak Electrochim. Acta 2002 47 3571 3594
63. R. S. Yeo J. Orehotsky W. Visscher S. Srinivasan J. Electrochem. Soc. 1981 128 1900 1904
64. Y. Hou B. L. Abrams P. C. K. Vesborg M. E. Bjorketun K. Herbst L. Bech A. M. Setti C. D. Damsgaard T. Pedersen O. Hansen J. Rossmeisl S. Dahl J. K. Norskov I. Chorkendorff Nat. Mater. 2011 10 434 438
65. R. Liu Z. Zheng J. Spurgeon X. Yang Energy Environ. Sci. 2014
66. J. Suntivich K. J. May H. A. Gasteiger J. B. Goodenough Y. Shao-Horn Science 2011 334 1383 1385
67. L. Trotochaud J. K. Ranney K. N. Williams S. W. Boettcher J. Am. Chem. Soc. 2012 134 17253 17261
68. M. W. Kanan D. G. Nocera Science 2008 321 1072 1075
69. D. M. Robinson Y. B. Go M. Mui G. Gardner Z. Zhang D. Mastrogiovanni E. Garfunkel J. Li M. Greenblatt G. C. Dismukes J. Am. Chem. Soc. 2013 135 3494 3501
70. K. C. Neyerlin W. Gu J. Jorne H. A. Gasteiger J. Electrochem. Soc. 2007 154 B631 B635
71. R. N. Noufi P. A. Kohl S. N. Frank A. J. Bard J. Electrochem. Soc. 1978 125 246 252
72. A. Fujishima K. Honda Nature 1972 238 37 38
73. A. Paracchino V. Laporte K. Sivula M. Graetzel E. Thimsen Nat. Mater. 2011 10 456 461
74. Y. J. Lin C. Battaglia M. Boccard M. Hettick Z. B. Yu C. Ballif J. W. Ager A. Javey Nano Lett. 2013 13 5615 5618
75. B. Seger D. S. Tilley T. Pedersen P. Vesborg O. Hansen M. Grätzel I. Chorkendorff RSC Adv. 2013 25902 25907
76. A. Fujishima X. Zhang D. A. Tryk Surf. Sci. Rep. 2008 63 515 582
77. R. Jose V. Thavasi S. Ramakrishna J. Am. Ceram. Soc. 2009 92 289 301
78. E. Asselin T. M. Ahmed A. Alfantazi Corros. Sci. 2007 49 694 710
79. H. Tributsch J. C. Bennett J. Electroanal. Chem. 1977 81 97 111
80. A. B. Laursen T. Pedersen P. Malacrida B. Seger O. Hansen P. C. K. Vesborg I. Chorkendorff Phys. Chem. Chem. Phys. 2013 15 20000 20004
81. E. J. Popczun J. R. McKone C. G. Read A. J. Biacchi A. M. Wiltrout N. S. Lewis R. E. Schaak J. Am. Chem. Soc. 2013 135 9267 9270
82. M. Sharon G. Tamizhmani C. Levyclement J. Rioux Sol. Cells 1989 26 303 312
83. M. Sharon G. Tamizhmani J. Mater. Sci. 1986 21 2193 2201
84. K. Maeda K. Domen J. Phys. Chem. C 2007 111 7851 7861
85. E. Ruiz S. Alvarez P. Alemany R. A. Evarestov Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1997 56 7189 7196
86. R. Gillen J. Robertson Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2013 25 165502
87. A. Walsh G. W. Watson D. J. Payne R. G. Edgell J. Guo P.-A. Glans T. Learmonth K. E. Smith Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006 73 235104
88. S. Bai M. Cao Y. Jin X. Dai X. Liang Z. Ye M. Li J. Cheng X. Xiao Z. Wu Z. Xia B. Sun E. Wang Y. Mo F. Gao F. Zhang Adv. Energy Mater. 2014 4 1301460
89. D. Adler J. Feinleib Phys. Rev. B: Solid State 1970 2 3112 3134
90. S. Mori S. Fukuda S. Sumikura Y. Takeda Y. Tamaki E. Suzuki T. Abe J. Phys. Chem. C 2008 112 16134 16139
91. F. Odobel L. Le Pleux Y. Pellegrin E. Blart Acc. Chem. Res. 2010 43 1063 1071
92. A. Renaud B. Chavillon L. Cario L. Le Pleux N. Szuwarski Y. Pellegrin E. Blart E. Gautron F. Odobel S. Jobic J. Phys. Chem. C 2013 117 22478 22483
93. A. Goossens E. M. Kelder R. J. M. Beeren C. J. G. Bartels J. Schoonman Phys. Chem. Chem. Phys. 1991 95 503 510
94. N. C. Strandwitz D. J. Comstock R. L. Grimm A. C. Nichols-Nielander J. Elam N. S. Lewis J. Phys. Chem. C 2013 117 4931 4936
95. S. Hu M. R. Shaner J. A. Beardslee M. Lichterman B. S. Brunschwig N. S. Lewis Science 2014 344 1005 1009
96. K. N. Kwok, Complete Guide to Semiconductor Devices, McGraw-Hill, New York, 1995
97. M. J. Choi J.-Y. Jung M.-J. Park J.-W. Song J.-H. Lee J. H. Bang J. Mater. Chem. A 2014 2 2928 2933
98. M. Tomkiewicz J. M. Woodall J. Electrochem. Soc. 1977 124 1436 1440
99. G. Campet C. Puprichitkun Z. W. Sun J. Electroanal. Chem. 1989 269 435 445
100. Y. W. Chen J. D. Prange S. Duehnen Y. Park M. Gunji C. E. D. Chidsey P. C. McIntyre Nat. Mater. 2011 10 539 544
101. J. J. H. Pijpers M. T. Winkler Y. Surendranath T. Buonassisi D. G. Nocera Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011 108 10056 10061
102. J. Brillet M. Gratzel K. Sivula Nano Lett. 2010 10 4155 4160
103. A. Paracchino N. Mathews T. Hisatomi M. Stefik S. D. Tilley M. Gratzel Energy Environ. Sci. 2012 5 8673 8681
104. A. Adachi A. Kudo T. Sakata Bull. Chem. Soc. Jpn. 1995 68 3283 3288
105. J. Chao Z. Xie X. Duan Y. Dong Z. Wang J. Xu B. Liang B. Shan J. Ye D. Chen G. Shen CrystEngComm 2012 14 3163 3168
106. M. Malizia B. Seger I. Chorkendorff P. C. K. Vesborg J. Mater. Chem. A 2014 6847 6853
107. M. J. Kenney M. Gong Y. G. Li J. Z. Wu J. Feng M. Lanza H. J. Dai Science 2013 342 836 840
108. M. G. Walter E. L. Warren J. R. McKone S. W. Boettcher Q. Mi E. A. Santori N. S. Lewis Chem. Rev. 2010 110 6446 6473
109. E. J. Luber M. H. Mobarok J. M. Buriak ACS Nano 2013 7 8136 8146
110. H. J. Snaith J. Phys. Chem. Lett. 2013 4 3623 3630
111. J. Robertson J. Vac. Sci. Technol., A 2013 31 050821
112. B. Seger T. Pedersen A. B. Laursen P. C. K. Vesborg O. Hansen I. Chorkendorff J. Am. Chem. Soc. 2013 135 1057 1064
113. B. Seger D. S. Tilley T. Pedersen P. C. K. Vesborg O. Hansen M. Gratzel I. Chorkendorff RSC Adv. 2013 3 25902 25907
114. W. C. Sheng H. A. Gasteiger Y. Shao-Horn J. Electrochem. Soc. 2010 157 B1529 B1536
115. W. F. Chen K. Sasaki C. Ma A. I. Frenkel N. Marinkovic J. T. Muckerman Y. M. Zhu R. R. Adzic Angew. Chem., Int. Ed. 2012 51 6131 6135
116. E. Endoh H. Otouma T. Morimoto Y. Oda Int. J. Hydrogen Energy 1987 12 473 479