Enhancing Low-Bias Performance of Hematite Photoanodes for Solar Water Splitting by Simultaneous Reduction of Bulk, Interface, and Surface Recombination Pathways

Advanced Energy Materials

Volumn 6, Issue 4, 2016, Pages

  Cho, In Sun ^a,b   Han, Hyun Soo ^a   Logar, Manca ^a   Park, Joonsuk ^a   Zheng, Xiaolin ^a  

^a Stanford University   (United States)

^b Ajou University   (South Korea)

Author keywords

charge recombination; flame doping; hematite nanorods; low bias performance; solar water splitting; surface treatments

Indexed keywords

CATALYST ACTIVITY; ELECTROCATALYSTS; ELECTROLYTES; NANORODS; OXALIC ACID; SURFACE TREATMENT;

CHARGE RECOMBINATIONS; HEMATITE NANORODS; LOW BIAS; PHOTOELECTROCHEMICAL WATER SPLITTING; SIMULTANEOUS REDUCTION; SOLAR WATER SPLITTING; SURFACE CATALYTIC ACTIVITY; SURFACE RECOMBINATIONS;

HEMATITE;

EID: 84958880254     PISSN: 16146832     EISSN: 16146840     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/aenm.201501840     Document Type: Article

References (68)

1. a) K. Sivula, F. Le Formal, M. Grätzel, ChemSusChem 2011, 4, 432;
2. b) Y. Lin, G. Yuan, S. Sheehan, S. Zhou, D. Wang, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 4862.
3. a) T. W. Hamann, Dalton Trans. 2012, 41, 7830;
4. b) K. L. Hardee, A. J. Bard, J. Electrochem. Soc. 1976, 123, 1024.
5. M. T. Mayer, Y. Lin, G. Yuan, D. Wang, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1558.
6. a) A. J. Bosman, H. J. van Daal, Adv. Phys. 1970, 19, 1;
7. b) C. Sanchez, K. D. Sieber, G. A. Somorjai, J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1988, 252, 269.
8. J. H. Kennedy, K. W. Frese, J. Electrochem. Soc. 1978, 125, 709.
9. S. R. Pendlebury, A. J. Cowan, M. Barroso, K. Sivula, J. Ye, M. Grätzel, D. R. Klug, J. Tang, J. R. Durrant, Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6304.
10. L. Steier, I. Herraiz-Cardona, S. Gimenez, F. Fabregat-Santiago, J. Bisquert, S. D. Tilley, M. Grätzel, Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 7681.
11. a) S. R. Pendlebury, M. Barroso, A. J. Cowan, K. Sivula, J. Tang, M. Gratzel, D. Klug, J. R. Durrant, Chem. Commun. 2011, 47, 716;
12. b) M. Barroso, S. R. Pendlebury, A. J. Cowan, J. R. Durrant, Chem. Sci. 2013, 4, 2724.
13. a) D. C. Boris, B. R. Harry, C. Uros, B. J. Jacek, K. Vivekanand, D. Todd, K. S. Mahendra, Nanotechnology 2012, 23, 194009;
14. b) L. Li, Y. Yu, F. Meng, Y. Tan, R. J. Hamers, S. Jin, Nano Lett. 2012, 12, 724.
15. a) J. Y. Kim, G. Magesh, D. H. Youn, J.-W. Jang, J. Kubota, K. Domen, J. S. Lee, Sci. Rep. 2013, 3;
16. b) D. Wang, H. Chen, G. Chang, X. Lin, Y. Zhang, A. Aldalbahi, C. Peng, J. Wang, C. Fan, ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 14072;
17. c) T. Lindgren, H. Wang, N. Beermann, L. Vayssieres, A. Hagfeldt, S.-E. Lindquist, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2002, 71, 231;
18. d) L. Vayssieres, N. Beermann, S.-E. Lindquist, A. Hagfeldt, Chem. Mater. 2001, 13, 233.
19. Y. Ling, G. Wang, J. Reddy, C. Wang, J. Z. Zhang, Y. Li, Angew. Chem. 2012, 124, 4150.
20. Y. Ling, G. Wang, D. A. Wheeler, J. Z. Zhang, Y. Li, Nano Lett. 2011, 11, 2119.
21. a) S. K. Mohapatra, S. E. John, S. Banerjee, M. Misra, Chem. Mater. 2009, 21, 3048;
22. b) T. J. LaTempa, X. Feng, M. Paulose, C. A. Grimes, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 16293.
23. J. Liu, Y. Y. Cai, Z. F. Tian, G. S. Ruan, Y. X. Ye, C. H. Liang, G. S. Shao, Nano Energy 2014, 9, 282.
24. S. C. Warren, K. Voïtchovsky, H. Dotan, C. M. Leroy, M. Cornuz, F. Stellacci, C. Hébert, A. Rothschild, M. Grätzel, Nat. Mater. 2013, 12, 842.
25. a) J. Brillet, M. Grätzel, K. Sivula, Nano Lett. 2010, 10, 4155;
26. b) G. Wang, Y. Ling, D. A. Wheeler, K. E. George, K. Horsley, C. Heske, J. Z. Zhang, Y. Li, Nano Lett. 2011, 11, 3503.
27. R. L. Spray, K. J. McDonald, K.-S. Choi, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 3497.
28. a) I. Cesar, K. Sivula, A. Kay, R. Zboril, M. Grätzel, J. Phys. Chem. C 2008, 113, 772;
29. b) M. H. Lee, J. H. Park, H. S. Han, H. J. Song, I. S. Cho, J. H. Noh, K. S. Hong, Int. J. Hydrogen Energy 2014, 39, 17501;
30. c) Y.-S. Hu, A. Kleiman-Shwarsctein, A. J. Forman, D. Hazen, J.-N. Park, E. W. McFarland, Chem. Mater. 2008, 20, 3803;
31. d) S. Shen, P. Guo, D. A. Wheeler, J. Jiang, S. A. Lindley, C. X. Kronawitter, J. Z. Zhang, L. Guo, S. S. Mao, Nanoscale 2013, 5, 9867;
32. e) S. Y. Chiam, M. H. Kumar, P. S. Bassi, H. L. Seng, J. Barber, L. H. Wong, ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 5852;
33. f) H. Miyake, H. Kozuka, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 17951;
34. g) S. Shen, J. Zhou, C.-L. Dong, Y. Hu, E. N. Tseng, P. Guo, L. Guo, S. S. Mao, Sci. Rep. 2014, 4;
35. h) C. X. Kronawitter, I. Zegkinoglou, S. H. Shen, P. Liao, I. S. Cho, O. Zandi, Y. S. Liu, K. Lashgari, G. Westin, J. H. Guo, F. J. Himpsel, E. A. Carter, X. L. Zheng, T. W. Hamann, B. E. Koel, S. S. Mao, L. Vayssieres, Energy Environ. Sci. 2014, 7, 3100;
36. i) T.-Y. Yang, H.-Y. Kang, U. Sim, Y.-J. Lee, J.-H. Lee, B. Koo, K. T. Nam, Y.-C. Joo, Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 2117.
37. R. Franking, L. Li, M. A. Lukowski, F. Meng, Y. Tan, R. J. Hamers, S. Jin, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 500.
38. T. Hisatomi, H. Dotan, M. Stefik, K. Sivula, A. Rothschild, M. Grätzel, N. Mathews, Adv. Mater. 2012, 24, 2699.
39. T. Hisatomi, J. Brillet, M. Cornuz, F. Le Formal, N. Tétreault, K. Sivula, M. Grätzel, Faraday Discuss. 2012, 155, 223.
40. D. Cao, W. Luo, J. Feng, X. Zhao, Z. Li, Z. Zou, Energy Environ. Sci. 2014, 7, 752.
41. J.-W. Jang, C. Du, Y. Ye, Y. Lin, X. Yao, J. Thorne, E. Liu, G. McMahon, J. Zhu, A. Javey, Nat. Commun. 2015, 6.
42. a) T. Hisatomi, F. Le Formal, M. Cornuz, J. Brillet, N. Tétreault, K. Sivula, M. Grätzel, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2512;
43. b) F. Le Formal, N. Tétreault, M. Cornuz, T. Moehl, M. Grätzel, K. Sivula, Chem. Sci. 2011, 2, 737.
44. a) B. Klahr, S. Gimenez, F. Fabregat-Santiago, J. Bisquert, T. W. Hamann, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 16693;
45. b) S. D. Tilley, M. Cornuz, K. Sivula, M. Grätzel, Angew. Chem. 2010, 122, 6549;
46. c) M. Barroso, C. A. Mesa, S. R. Pendlebury, A. J. Cowan, T. Hisatomi, K. Sivula, M. Grätzel, D. R. Klug, J. R. Durrant, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, 109, 15640;
47. d) A. Mao, N.-G. Park, G. Y. Han, J. H. Park, Nanotechnology 2011, 22, 175703.
48. T.-Y. Yang, H.-Y. Kang, K. Jin, S. Park, J.-H. Lee, U. Sim, H.-Y. Jeong, Y.-C. Joo, K. T. Nam, J. Mater. Chem. A 2014, 2, 2297.
49. I. S. Cho, C. H. Lee, Y. Feng, M. Logar, P. M. Rao, L. Cai, D. R. Kim, R. Sinclair, X. Zheng, Nat. Commun. 2013, 4, 1723.
50. Y. Feng, I. S. Cho, P. M. Rao, L. Cai, X. Zheng, Nano Lett. 2013, 13, 855.
51. L. Cai, I. S. Cho, M. Logar, A. Mehta, J. He, C. H. Lee, P. M. Rao, Y. Feng, J. Wilcox, F. B. Prinz, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 12299.
52. H. K. Mulmudi, N. Mathews, X. C. Dou, L. F. Xi, S. S. Pramana, Y. M. Lam, S. G. Mhaisalkar, Electrochem. Commun. 2011, 13, 951.
53. L. Vayssieres, C. Sathe, S. M. Butorin, D. K. Shuh, J. Nordgren, J. Guo, Adv. Mater. 2005, 17, 2320.
54. I. S. Cho, M. Logar, C. H. Lee, L. Cai, F. B. Prinz, X. Zheng, Nano Lett. 2013, 14, 24.
55. O. Zandi, B. M. Klahr, T. W. Hamann, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 634.
56. H. Dotan, K. Sivula, M. Grätzel, A. Rothschild, S. C. Warren, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 958.
57. a) B. Amami, M. Addou, F. Millot, A. Sabioni, C. Monty, Ionics 1999, 5, 358;
58. b) R. Freer, J. Mater. Sci. 1980, 15, 803.
59. J. A. Van Orman, K. L. Crispin, Rev. Mineral. Geochem. 2010, 72, 757.
60. Z. Chen, H. N. Dinh, E. Miller, Photoelectrochemical Water Splitting: Standards, Experimental Methods, and Protocols [Online], Springer Science & Business Media, New York 2013.
61. a) J. S. Chen, T. Zhu, X. H. Yang, H. G. Yang, X. W. Lou, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 13162;
62. b) S. O. Lee, T. Tran, B. H. Jung, S. J. Kim, M. J. Kim, Hydrometallurgy 2007, 87, 91;
63. c) G. Sposito, U. Schwertmann, Clays Clay Miner. 1995, 43, 29;
64. d) R. Cornell, R. Giovanoli, Clay Miner. 1993, 28, 223.
65. a) W. D. Chemelewski, H.-C. Lee, J.-F. Lin, A. J. Bard, C. B. Mullins, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2843;
66. b) J. A. Seabold, K.-S. Choi, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2186.
67. P. M. Rao, I. S. Cho, X. Zheng, Proc. Combust. Inst. 2013, 34, 2187.
68. H. Dotan, K. Sivula, M. Grätzel, A. Rothschild, S. C. Warren, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 958.