Band Edge Engineering of Oxide Photoanodes for Photoelectrochemical Water Splitting: Integration of Subsurface Dipoles with Atomic-Scale Control

Advanced Energy Materials

Volumn 6, Issue 7, 2016, Pages

  Hikita, Yasuyuki ^a   Nishio, Kazunori ^a,b   Seitz, Linsey C ^c   Chakthranont, Pongkarn ^c   Tachikawa, Takashi ^a   Jaramillo, Thomas F ^a,c   Hwang, Harold Y ^a,b  

^a SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY   (United States)

^b STANFORD UNIVERSITY   (United States)

^c Stanford University   (United States)

Author keywords

interface dipoles; oxide electrolyte interfaces; photoanodes; photoelectrochemical cells; solar water splitting

Indexed keywords

DOPING (ADDITIVES); ELECTROCHEMISTRY; ELECTROLYTES; PHOTOELECTROCHEMICAL CELLS; REDOX REACTIONS; SOLUTIONS;

ATOMIC SCALE CONTROL; COMPOUND SEMICONDUCTORS; ELECTROLYTE INTERFACES; FLAT BAND POTENTIAL; INTERFACE DIPOLE; PHOTO-ANODES; PHOTOELECTROCHEMICAL WATER SPLITTING; SOLAR WATER SPLITTING;

CHEMICALS REMOVAL (WATER TREATMENT);

EID: 84963700996     PISSN: 16146832     EISSN: 16146840     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/aenm.201502154     Document Type: Article

References (57)

1. a) N. S. Lewis, D. G. Nocera, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 103, 15729;
2. b) S. Chu, A. Majumdar, Nature 2012, 488, 294.
3. J. M. Ogden, Annu. Rev. Energy Environ. 1999, 24, 227.
4. A. Kudo, Y. Miseki, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 253.
5. a) O. Khaselev, J. A. Turner, Science 1998, 280, 425;
6. b) A. Kay, I. Cesar, M. Grätzel, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 15714;
7. c) A. Paracchino, V. Laporte, K. Sivula, M. Grätzel, E. Thimsen, Nature Mater. 2011, 10, 456;
8. d) J. Su, L. Guo, N. Bao, C. A. Grimes, Nano Lett. 2011, 11, 1928;
9. e) F. F. Abdi, L. Han, A. H. M. Smets, M. Zeman, B. Dam, R. Van de Krol, Nature Commun. 2013, 4, 2195.
10. J. B. Goodenough, Progr. Solid Stat. Chem. 1971, 5, 145.
11. a) H. Magnan, D. Stanescu, M. Rioult, E. Fonda, A. Barbier, Appl. Phys. Lett. 2012, 101, 133908;
12. b) M. Seki, H. Yamahara, H. Tabata, APEX 2012, 5, 3;
13. c) S. Kawasaki, R. Takahashi, K. Akagi, J. Yoshinobu, F. Komori, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Iwashina, A. Kudo, M. Lippmaa, J. Phys. Chem. C 2014, 118, 20222.
14. Y. Kozuka, Y. Hikita, C. Bell, H. Y. Hwang, Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 012107.
15. a) A. Ohtomo, D. A. Muller, J. L. Grazul, H. Y. Hwang, Nature 2002, 419, 378;
16. b) M. Minohara, T. Tachikawa, Y. Nakanishi, Y. Hikita, L. F. Kourkoutis, J.-S. Lee, C.-C. Kao, M. Yoshita, H. Akiyama, C. Bell, H. Y. Hwang, Nano Lett. 2014, 14, 6743.
17. T. Yajima, M. Minohara, C. Bell, H. Kumigashira, M. Oshima, H. Y. Hwang, Y. Hikita, Nano Lett. 2015, 15, 1622.
18. a) J. W. Thackeray, M. J. Natan, P. Ng, M. S. Wrighton, J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 3570;
19. b) C. M. Wang, T. E. Mallouk, J. Phys. Chem. 1990, 94, 423;
20. c) C. M. Wang, T. E. Mallouk, J. Phys. Chem. 1990, 94, 4276;
21. d) R. L. Grimm, M. J. Bierman, L. E. O'Leary, N. C. Strandwitz, B. S. Brunschwig, N. S. Lewis, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 23569.
22. a) F.-R. F. Fan, A. J. Bard, J. Electrochem. Soc. 1981, 128, 945;
23. b) S. S. Kocha, J. A. Turner, J. Electrochem. Soc. 1995, 142, 2625;
24. c) H. S. Hilal, J. A. Turner, Electrochim. Acta 2006, 51, 6487;
25. d) Y.-S. Hu, A. Kleiman-Shwarsctein, G. D. Stucky, E. W. McFarland, Chem. Commun. 2009, 19, 2652;
26. e) E. Johansson, S. W. Boettcher, L. E. O'Leary, A. D. Poletayev, S. Maldonado, B. S. Brunschwig, N. S. Lewis, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 8594;
27. f) F. Camacho-Alanis, H. Castaneda, G. Zangari, N. S. Swami, Langmuir 2011, 27, 11273;
28. g) 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, L. H. Wong, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 13884;
29. h) E. S. Brown, S. L. Peczonczyk, Z. Wang, S. Maldonado, J. Phys. Chem. C 2014, 118, 11593;
30. i) B. A. MacLeod, K. X. Steirer, J. L. Young, U. Koldemir, A. Sellinger, J. A. Turner, T. G. Deutsch, D. C. Olson, ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 11346;
31. j) W. A. Smith, I. D. Sharp, N. C. Strandwitz, J. Bisquert, Energy Environ. Sci. 2015, 8, 2851.
32. a) M. A. Butler, D. S. Ginley, J. Electrochem. Soc. 1978, 125, 228;
33. b) V. Stevanovic, S. Lany, D. S. Ginley, W. Tumas, A. Zunger, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 3706.
34. R. T. Tung, Mat. Sci. Eng. R 2001, 35, 1.
35. a) Y. Hikita, M. Nishikawa, T. Yajima, H. Y. Hwang, Phys. Rev. B 2009, 79, 4;
36. b) T. Yajima, Y. Hikita, M. Minohara, C. Bell, J. A. Mundy, L. F. Kourkoutis, D. A. Muller, H. Kumigashira, M. Oshima, H. Y. Hwang, Nature Commun. 2015, 6, 5.
37. a) T. Watanabe, A. Fujishima, K. Honda, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1976, 49, 355;
38. b) M. S. Wrighton, A. B. Ellis, P. T. Wolczanski, D. L. Morse, H. B. Abrahamson, D. S. Ginley, J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, 2774;
39. c) J. Yin, J. H. Ye, Z. G. Zou, Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 689.
40. M. Kawasaki, K. Takahashi, T. Maeda, R. Tsuchiya, M. Shinohara, O. Ishiyama, T. Yonezawa, M. Yoshimoto, H. Koinuma, Science 1994, 266, 1540.
41. a) N. Nakagawa, H. Y. Hwang, D. A. Muller, Nature Mater. 2006, 5, 204;
42. b) S. Thiel, G. Hammerl, A. Schmehl, C. W. Schneider, J. Mannhart, Science 2006, 313, 1942.
43. H. Gerischer, Electrochim. Acta 1989, 34, 1005.
44. M. L. Reinle-Schmitt, C. Cancellieri, D. Li, D. Fontaine, M. Medarde, E. Pomjakushina, C. W. Schneider, S. Gariglio, P. Ghosez, J. M. Triscone, P. R. Willmott, Nature Commun. 2012, 3, 932.
45. K. A. Müller, H. Burkard, Phys. Rev. B 1979, 19, 3593.
46. a) R. De Gryse, W. P. Gomes, F. Cardon, J. Vennik, J. Electrochem. Soc. 1975, 122, 711;
47. b) M. Tomkiewicz, J. Electrochem. Soc. 1979, 126, 1505;
48. c) C. C. L. McCrory, S. Jung, J. C. Peters, T. F. Jaramillo, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 16977.
49. Y. Hikita, Y. Kozuka, T. Susaki, H. Takagi, H. Y. Hwang, Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 143507.
50. S.-G. Lim, S. Kriventsov, T. N. Jackson, J. H. Haeni, D. G. Schlom, A. M. Balbashov, R. Uecker, P. Reiche, J. L. Freeouf, G. Lucovsky, J. Appl. Phys. 2002, 91, 4500.
51. G. Berner, A. Müller, F. Pfaff, J. Walde, C. Richter, J. Mannhart, S. Thiess, A. Gloskovskii, W. Drube, M. Sing, R. Claessen, Phys. Rev. B 2013, 88, 115111.
52. a) S. Yang, D. Prendergast, J. B. Neaton, Nano Lett. 2012, 12, 383;
53. b) J. B. Rivest, G. Li, I. D. Sharp, J. B. Neaton, D. J. Milliron, J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2450.
54. a) J. A. Turner, B. A. Parkinson, J. Electroanal. Chem. 1983, 150, 611;
55. b) L. A. Lyon, J. T. Hupp, J. Phys. Chem. 1995, 99, 15718.
56. I. E. Castelli, T. Olsen, S. Datta, D. D. Landis, S. Dahl, K. S. Thygesen, K. W. Jacobsen, Energy Environ. Sci. 2012, 5, 5814.
57. L. C. Seitz, Z. Chen, A. J. Forman, B. A. Pinaud, J. D. Benck, T. F. Jaramillo, ChemSusChem 2014, 7, 1372.