Time-Resolved Spectroscopic Investigation of Charge Trapping in Carbon Nitrides Photocatalysts for Hydrogen Generation

Journal of the American Chemical Society

Volumn 139, Issue 14, 2017, Pages 5216-5224

  Godin, Robert ^a   Wang, Yiou ^b   Zwijnenburg, Martijn A ^b   Tang, Junwang ^b   Durrant, James R ^a  

^a IMPERIAL COLLEGE LONDON   (United Kingdom)

^b UNIVERSITY COLLEGE LONDON   (United Kingdom)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BENCHMARKING; CHARGE CARRIERS; CHARGE TRAPPING; CONJUGATED POLYMERS; ELECTRON TRAPS; ELECTRONS; HYDROGEN PRODUCTION; NITRIDES; PHOTOCATALYSTS; PHOTOLUMINESCENCE; PHOTOLUMINESCENCE SPECTROSCOPY; SURFACE REACTIONS; TIME MEASUREMENT;

CHARGE CARRIER DYNAMICS; CHARGE TRAPPING-DETRAPPING; INORGANIC SEMICONDUCTORS; PHOTOCATALYTIC ACTIVITIES; PHOTOCATALYTIC PERFORMANCE; PHOTOCATALYTIC REACTIONS; SPECTROSCOPIC INVESTIGATIONS; TIME-RESOLVED ABSORPTION;

CARBON NITRIDE;

CARBON; CARBON NITRIDE; HYDROGEN; POLYMER; UNCLASSIFIED DRUG;

ABSORPTION; ARTICLE; CATALYST; DISPERSION; ELECTRON; PHOTOCATALYSIS; PHOTOLUMINESCENCE; SEMICONDUCTOR; SPECTROSCOPY;

EID: 85018341972     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jacs.7b01547     Document Type: Article

References (82)

1. Lotsch, B. V.; Döblinger, M.; Sehnert, J.; Seyfarth, L.; Senker, J.; Oeckler, O.; Schnick, W. Chem.-Eur. J. 2007, 13, 4969 10.1002/chem.200601759
2. Ong, W.-J.; Tan, L.-L.; Ng, Y. H.; Yong, S.-T.; Chai, S.-P. Chem. Rev. 2016, 116, 7159 10.1021/acs.chemrev.6b00075
3. Vyas, V. S.; Lau, V. W.-h.; Lotsch, B. V. Chem. Mater. 2016, 28, 5191 10.1021/acs.chemmater.6b01894
4. Zheng, Y.; Liu, J.; Liang, J.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6717 10.1039/c2ee03479d
5. Wang, Y.; Wang, X.; Antonietti, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 68 10.1002/anie.201101182
6. Liu, J.; Wang, H.; Antonietti, M. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 2308 10.1039/C5CS00767D
7. Wang, X.; Maeda, K.; Thomas, A.; Takanabe, K.; Xin, G.; Carlsson, J. M.; Domen, K.; Antonietti, M. Nat. Mater. 2009, 8, 76 10.1038/nmat2317
8. Zhang, J.; Sun, J.; Maeda, K.; Domen, K.; Liu, P.; Antonietti, M.; Fu, X.; Wang, X. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 675 10.1039/C0EE00418A
9. Kasap, H.; Caputo, C. A.; Martindale, B. C.; Godin, R.; Lau, V. W.; Lotsch, B. V.; Durrant, J. R.; Reisner, E. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 9183 10.1021/jacs.6b04325
10. Cao, S.; Low, J.; Yu, J.; Jaroniec, M. Adv. Mater. 2015, 27, 2150 10.1002/adma.201500033
11. Cao, S.; Yu, J. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2101 10.1021/jz500546b
12. Lee, R.-L.; Tran, P. D.; Pramana, S. S.; Chiam, S. Y.; Ren, Y.; Meng, S.; Wong, L. H.; Barber, J. Catal. Sci. Technol. 2013, 3, 1694 10.1039/c3cy00054k
13. Liu, J.; Liu, Y.; Liu, N.; Han, Y.; Zhang, X.; Huang, H.; Lifshitz, Y.; Lee, S.-T.; Zhong, J.; Kang, Z. Science 2015, 347, 970 10.1126/science.aaa3145
14. Zhang, G.; Lan, Z.-A.; Lin, L.; Lin, S.; Wang, X. Chem. Sci. 2016, 7, 3062 10.1039/C5SC04572J
15. Xiao, J.; Xie, Y.; Nawaz, F.; Jin, S.; Duan, F.; Li, M.; Cao, H. Appl. Catal., B 2016, 181, 420 10.1016/j.apcatb.2015.08.020
16. Walsh, J. J.; Jiang, C.; Tang, J.; Cowan, A. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 24825 10.1039/C6CP04525A
17. Kuriki, R.; Matsunaga, H.; Nakashima, T.; Wada, K.; Yamakata, A.; Ishitani, O.; Maeda, K. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 5159 10.1021/jacs.6b01997
18. Liu, G.; Wang, T.; Zhang, H.; Meng, X.; Hao, D.; Chang, K.; Li, P.; Kako, T.; Ye, J. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 13561 10.1002/anie.201505802
19. Lin, L.; Ou, H.; Zhang, Y.; Wang, X. ACS Catal. 2016, 6, 3921 10.1021/acscatal.6b00922
20. Martin, D. J.; Qiu, K.; Shevlin, S. A.; Handoko, A. D.; Chen, X.; Guo, Z.; Tang, J. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 9240 10.1002/anie.201403375
21. Gregg, B. A. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 4688 10.1021/jp022507x
22. Clarke, T. M.; Durrant, J. R. Chem. Rev. 2010, 110, 6736 10.1021/cr900271s
23. Ohkita, H.; Ito, S. Polymer 2011, 52, 4397 10.1016/j.polymer.2011.06.061
24. Cowan, A. J.; Durrant, J. R. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 2281 10.1039/C2CS35305A
25. Baxter, J. B.; Richter, C.; Schmuttenmaer, C. A. Annu. Rev. Phys. Chem. 2014, 65, 423 10.1146/annurev-physchem-040513-103742
26. Choi, W.; Termin, A.; Hoffmann, M. R. J. Phys. Chem. 1994, 98, 13669 10.1021/j100102a038
27. Christians, J. A.; Manser, J. S.; Kamat, P. V. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 2086 10.1021/acs.jpclett.5b00594
28. Wu, K.; Zhu, H.; Lian, T. Acc. Chem. Res. 2015, 48, 851 10.1021/ar500398g
29. Burda, C.; Link, S.; Mohamed, M.; El-Sayed, M. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 12286 10.1021/jp0124589
30. Yamanaka, K.-i.; Sato, S.; Iwaki, M.; Kajino, T.; Morikawa, T. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 18348 10.1021/jp205223k
31. Barnes, P. R. F.; Anderson, A. Y.; Durrant, J. R.; O'Regan, B. C. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 5798 10.1039/c0cp01554g
32. Barroso, M.; Pendlebury, S. R.; Cowan, A. J.; Durrant, J. R. Chem. Sci. 2013, 4, 2724 10.1039/c3sc50496d
33. Thompson, T. L.; Yates, J. T. Chem. Rev. 2006, 106, 4428 10.1021/cr050172k
34. Melianas, A.; Etzold, F.; Savenije, T. J.; Laquai, F.; Inganäs, O.; Kemerink, M. Nat. Commun. 2015, 6, 8778 10.1038/ncomms9778
35. Underwood, D. F.; Kippeny, T.; Rosenthal, S. J. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 436 10.1021/jp003088b
36. Wojdyla, M.; Gallagher, S. A.; Moloney, M. P.; Gun'ko, Y. K.; Kelly, J. M.; Magno, L. M.; Quinn, S. J.; Clark, I. P.; Greetham, G. M.; Towrie, M. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 16226 10.1021/jp3023088
37. Kim, W. D.; Kim, J.-H.; Lee, S.; Lee, S.; Woo, J. Y.; Lee, K.; Chae, W.-S.; Jeong, S.; Bae, W. K.; McGuire, J. A.; Moon, J. H.; Jeong, M. S.; Lee, D. C. Chem. Mater. 2016, 28, 962 10.1021/acs.chemmater.5b04790
38. Vietmeyer, F.; Frantsuzov, P. A.; Janko, B.; Kuno, M. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2011, 83, 115319 10.1103/PhysRevB.83.115319
39. Merschjann, C.; Tschierlei, S.; Tyborski, T.; Kailasam, K.; Orthmann, S.; Hollmann, D.; Schedel-Niedrig, T.; Thomas, A.; Lochbrunner, S. Adv. Mater. 2015, 27, 7993 10.1002/adma.201503448
40. Zhang, H.; Chen, Y.; Lu, R.; Li, R.; Yu, A. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 14904 10.1039/C6CP01600F
41. Ye, C.; Li, J.-X.; Li, Z.-J.; Li, X.-B.; Fan, X.-B.; Zhang, L.-P.; Chen, B.; Tung, C.-H.; Wu, L.-Z. ACS Catal. 2015, 5, 6973 10.1021/acscatal.5b02185
42. Jorge, A. B.; Martin, D. J.; Dhanoa, M. T. S.; Rahman, A. S.; Makwana, N.; Tang, J.; Sella, A.; Corà, F.; Firth, S.; Darr, J. A.; McMillan, P. F. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 7178 10.1021/jp4009338
43. Deifallah, M.; McMillan, P. F.; Corà, F. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 5447 10.1021/jp711483t
44. Zhang, H.; Yu, A. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 11628 10.1021/jp503477x
45. Stroyuk, A. L.; Panasiuk, Y. V.; Raevskaya, A. E.; Kuchmy, S. Y. Theor. Exp. Chem. 2015, 51, 243 10.1007/s11237-015-9423-9
46. Fan, X.; Xing, Z.; Shu, Z.; Zhang, L.; Wang, L.; Shi, J. RSC Adv. 2015, 5, 8323 10.1039/C4RA16362A
47. Gan, Z.; Shan, Y.; Chen, J.; Gui, Q.; Zhang, Q.; Nie, S.; Wu, X. Nano Res. 2016, 9, 1801 10.1007/s12274-016-1073-2
48. Zhang, Y.; Pan, Q.; Chai, G.; Liang, M.; Dong, G.; Zhang, Q.; Qiu, J. Sci. Rep. 2013, 3, 1943 10.1038/srep01943
49. Xu, J.; Shalom, M.; Piersimoni, F.; Antonietti, M.; Neher, D.; Brenner, T. J. K. Adv. Opt. Mater. 2015, 3, 913 10.1002/adom.201500019
50. Knorr, F. J.; Mercado, C. C.; McHale, J. L. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 12786 10.1021/jp8039934
51. Wilkinson, F. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 2 1986, 82, 2073 10.1039/f29868202073
52. Müller, J. G.; Lemmer, U.; Feldmann, J.; Scherf, U. Phys. Rev. Lett. 2002, 88, 147401 10.1103/PhysRevLett.88.147401
53. Müller, J. G.; Lupton, J. M.; Feldmann, J.; Lemmer, U.; Scharber, M. C.; Sariciftci, N. S.; Brabec, C. J.; Scherf, U. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2005, 72, 195208 10.1103/PhysRevB.72.195208
54. Nelson, J.; Chandler, R. E. Coord. Chem. Rev. 2004, 248, 1181 10.1016/j.ccr.2004.04.001
55. Yoshihara, T.; Katoh, R.; Furube, A.; Tamaki, Y.; Murai, M.; Hara, K.; Murata, S.; Arakawa, H.; Tachiya, M. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 3817 10.1021/jp031305d
56. Tamaki, Y.; Furube, A.; Murai, M.; Hara, K.; Katoh, R.; Tachiya, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 1453 10.1039/B617552J
57. Clarke, T. M.; Jamieson, F. C.; Durrant, J. R. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 20934 10.1021/jp909442s
58. Shiraishi, Y.; Kofuji, Y.; Kanazawa, S.; Sakamoto, H.; Ichikawa, S.; Tanaka, S.; Hirai, T. Chem. Commun. 2014, 50, 15255 10.1039/C4CC06960A
59. Merschjann, C.; Tyborski, T.; Orthmann, S.; Yang, F.; Schwarzburg, K.; Lublow, M.; Lux-Steiner, M. C.; Schedel-Niedrig, T. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2013, 87, 205204 10.1103/PhysRevB.87.205204
60. Srimath Kandada, A. R.; Neutzner, S.; D'Innocenzo, V.; Tassone, F.; Gandini, M.; Akkerman, Q. A.; Prato, M.; Manna, L.; Petrozza, A.; Lanzani, G. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13604 10.1021/jacs.6b06463
61. Cowan, A. J.; Tang, J.; Leng, W.; Durrant, J. R.; Klug, D. R. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 4208 10.1021/jp909993w
62. Ma, Y.; Pendlebury, S. R.; Reynal, A.; Le Formal, F.; Durrant, J. R. Chem. Sci. 2014, 5, 2964 10.1039/c4sc00469h
63. Pendlebury, S. R.; Barroso, M.; Cowan, A. J.; Sivula, K.; Tang, J.; Gratzel, M.; Klug, D.; Durrant, J. R. Chem. Commun. 2011, 47, 716 10.1039/C0CC03627G
64. Nelson, J. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2003, 67, 155209 10.1103/PhysRevB.67.155209
65. Chihaya, A. Jpn. J. Appl. Phys. 2014, 53, 060101 10.7567/JJAP.53.060101
66. Pendlebury, S. R.; Cowan, A. J.; Barroso, M.; Sivula, K.; Ye, J.; Gratzel, M.; Klug, D. R.; Tang, J.; Durrant, J. R. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6304 10.1039/C1EE02567H
67. Pendlebury, S. R.; Wang, X.; Le Formal, F.; Cornuz, M.; Kafizas, A.; Tilley, S. D.; Grätzel, M.; Durrant, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 9854 10.1021/ja504473e
68. Schneider, J.; Matsuoka, M.; Takeuchi, M.; Zhang, J.; Horiuchi, Y.; Anpo, M.; Bahnemann, D. W. Chem. Rev. 2014, 114, 9919 10.1021/cr5001892
69. Cherepy, N. J.; Liston, D. B.; Lovejoy, J. A.; Deng, H.; Zhang, J. Z. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 770 10.1021/jp973149e
70. Etzold, F.; Howard, I. A.; Mauer, R.; Meister, M.; Kim, T.-D.; Lee, K.-S.; Baek, N. S.; Laquai, F. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9469 10.1021/ja201837e
71. Blom, P. W. M.; Mihailetchi, V. D.; Koster, L. J. A.; Markov, D. E. Adv. Mater. 2007, 19, 1551 10.1002/adma.200601093
72. Melissen, S.; Le Bahers, T.; Steinmann, S. N.; Sautet, P. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 25188 10.1021/acs.jpcc.5b07059
73. Gioti, M.; Logothetidis, S. Diamond Relat. Mater. 2003, 12, 957 10.1016/S0925-9635(02)00222-4
74. Lau, V. W.; Moudrakovski, I.; Botari, T.; Weinberger, S.; Mesch, M. B.; Duppel, V.; Senker, J.; Blum, V.; Lotsch, B. V. Nat. Commun. 2016, 7, 12165 10.1038/ncomms12165
75. Cui, Y.; Ding, Z.; Liu, P.; Antonietti, M.; Fu, X.; Wang, X. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 1455 10.1039/C1CP22820J
76. Hollmann, D.; Karnahl, M.; Tschierlei, S.; Kailasam, K.; Schneider, M.; Radnik, J.; Grabow, K.; Bentrup, U.; Junge, H.; Beller, M.; Lochbrunner, S.; Thomas, A.; Brückner, A. Chem. Mater. 2014, 26, 1727 10.1021/cm500034p
77. Lau, V. W.-h.; Klose, D.; Kasap, H.; Podjaski, F.; Pignié, M.-C.; Reisner, E.; Jeschke, G.; Lotsch, B. V. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 510 10.1002/anie.201608553
78. Butchosa, C.; Guiglion, P.; Zwijnenburg, M. A. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 24833 10.1021/jp507372n
79. Lau, V. W.-h.; Yu, V. W.-z.; Ehrat, F.; Botari, T.; Moudrakovski, I.; Simon, T.; Duppel, V.; Medina, E.; Stolarczyk, J.; Feldmann, J.; Blum, V.; Lotsch, B. V. Adv. Energy Mater. 2017, 1602251 10.1002/aenm.201602251
80. Ran, J.; Ma, T. Y.; Gao, G.; Du, X.-W.; Qiao, S. Z. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3708 10.1039/C5EE02650D
81. Chen, X.; Liu, L.; Yu, P. Y.; Mao, S. S. Science 2011, 331, 746 10.1126/science.1200448
82. Liu, F.; Concepcion, J. J.; Jurss, J. W.; Cardolaccia, T.; Templeton, J. L.; Meyer, T. J. Inorg. Chem. 2008, 47, 1727 10.1021/ic701249s