Photocatalytic Water Splitting for Solar Hydrogen Production Using the Carbonate Effect and the Z-Scheme Reaction

Advanced Energy Materials

Volumn 9, Issue 23, 2019, Pages

  Miseki, Yugo ^a   Sayama, Kazuhiro ^a  

^a NATIONAL INSTITUTE OF ADVANCED INDUSTRIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY AIST   (Japan)

Author keywords

hydrogen; photocatalysts; redox mediators; solar fuels; water splitting

Indexed keywords

CARBONATION; DECOMPOSITION; GLOBAL WARMING; HYBRID SYSTEMS; HYDROGEN; HYDROGEN FUELS; IONS; PHOTOCATALYSTS; SOLAR ENERGY; SOLAR POWER GENERATION;

GLOBAL WARMING PROBLEMS; PHOTOCATALYTIC REACTIONS; PHOTOCATALYTIC WATER SPLITTING; REDOX MEDIATORS; SOLAR FUELS; SOLAR HYDROGEN PRODUCTION; VISIBLE LIGHT ACTIVE PHOTOCATALYSTS; WATER SPLITTING;

HYDROGEN PRODUCTION;

EID: 85050799706     PISSN: 16146832     EISSN: 16146840     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/aenm.201801294     Document Type: Review

References (104)

1. O. Morton, Nature 2006, 443, 19.
2. A. Fujishima, K. Honda, Nature 1972, 37, 238.
3. J. S. Lee, Catal. Surv. Asia 2005, 9, 217.
4. A. J. Esswein, D. G. Nocera, Chem. Rev. 2007, 107, 4022.
5. F. E. Osterlof, Chem. Mater. 2008, 20, 35.
6. Y. Inoue, Energy Environ. Sci. 2009, 2, 364.
7. A. Kudo, Y. Miseki, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 253.
8. R. Abe, J. Photochem. Photobiol. C 2010, 11, 179.
9. X. B. Chen, S. H. Shen, L. J. Guo, S. S. Mao, Chem. Rev. 2010, 110, 6503.
10. a) K. Maeda, ACS Catal. 2013, 3, 1486;
11. b) Y. Wang, H. Suzuki, J. Xie, O. Tomita, D. Martin, M. Higashi, D. Kong, R. Abe, J. Tang, Chem. Rev. 2018, 118, 5201.
12. a) J. R. Bolton, S. Strickler, J. Connolly, Nature 1985, 316, 495;
13. b) E. Rocheleau, E. Miller, Int. J. Hydrogen Energy 1997, 22, 771;
14. c) L. C. Seitz, Z. Chen, A. J. Forman, B. A. Pinaud, J. D. Benck, T. F. Jaramillo, ChemSusChem 2014, 7, 1372.
15. a) K. Sayama, H. Arakawa, K. Okabe, H. Kusama, Jpn Patent 3198298, 2001; US Patent 09/028495 1998;
16. b) K. Sayama, Y. Miseki, Synthesiology 2014, 7, 79;
17. c) B. D. James, G. N. Baum, J. Perez, K. N. Baum, Technoeconomic Analysis of Photoelectrochemical (PEC) Hydrogen Production, DOE Contract No. GS-10F-009 2009, https://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/pec_technoeconomic_analysis.pdf#search=%27DOE+contract+No.+GS10F009%27, (accessed: June 2018);
18. d) B. A. Pinaud, J. D. Benck, L. C. Seitz, A. J. Forman, Z. Chen, T. G. Deutsch, B. D. James, K. N. Baum, G. N. Baum, S. Ardo, H. Wang, E. Miller, T. F. Jaramillo, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1983.
19. T. Kawai, T. Sakata, Chem. Phys. Lett. 1980, 72, 87.
20. S. Sato, J. M. White, J. Catal. 1981, 69, 128.
21. J. Lehn, J. Sauvage, R. Ziessel, Nouv. J. Chim. 1980, 4, 623.
22. K. Domen, S. Naito, M. Soma, T. Onishi, K. Tamaru, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1980, 543.
23. K. Domen, A. Kudo, A. Shinozaki, A. Tanaka, K. Maruya, T. Onishi, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1986, 356.
24. K. Sayama, A. Tanaka, K. Domen, K. Maruya, T. Onishi, J. Catal. 1990, 124, 541.
25. Y. Inoue, T. Kubokawa, K. Sato, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1990, 1298.
26. K. Sayama, H. Arakawa, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1992, 150.
27. K. Sayama, H. Arakawa, Chem. Lett. 1992, 21, 253.
28. K. Sayama, H. Arakawa, J. Phys. Chem. 1993, 97, 531.
29. K. Sayama, H. Arakawa, J. Photochem. Photobiol., A 1994, 77, 243.
30. K. Sayama, H. Arakawa, J. Photochem. Photobiol., A 1996, 94, 67.
31. K. Sayama, H. Arakawa, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1997, 93, 1647.
32. K. Sayama, H. Arakawa, Catal. Catal. 1997, 39, 252.
33. H. Arakawa, K. Sayama, Catal. Surv. Jpn. 2000, 4, 75.
34. H. Arakawa, K. Sayama, Res. Chem. Intermed. 2000, 26, 145.
35. K. Fuku, K. Sayama, Chem. Commun. 2016, 52, 5406.
36. K. Fuku, Y. Miyase, Y. Miseki, T. Funaki, T. Gunji, K. Sayama, Chem. - Asian J. 2017, 12, 1111.
37. K. Sayama, K. Yase, H. Arakawa, K. Asakura, A. Tanaka, K. Domen, T. Onishi, J. Photochem. Photobiol. A 1998, 114, 125.
38. F. E. Osterloh, Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 2294.
39. K. Sayama, J. Augustynski, H. Arakawa, Chem. Lett. 2002, 994.
40. K. Sayama, A. Nomura, Z. Zou, R. Abe, Y. Abe, H. Arakawa, Chem. Commun. 2003, 2908.
41. a) K. Sayama, N. Wang, Y. Miseki, H. Kusama, N. Komatsuzaki, H. Sugihara, Chem. Lett. 2010, 39, 17;
42. b) R. Saito, Y. Miseki, K. Sayama, Chem. Commun. 2012, 48, 3833;
43. c) R. Saito, Y. Miseki, K. Sayama, J. Photochem. Photobiol. A 2013, 258, 51;
44. d) I. Fujimoto, N. Wang, R. Saito, Y. Miseki, T. Gunji, K. Sayama, Int. J. Hydrogen Energy 2014, 39, 2454.
45. a) A. Kudo, K. Ueda, H. Kato, I. Mikami, Catal. Lett. 1998, 53, 229;
46. b) A. Kudo, K. Omori, H. Kato, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 11459.
47. X. Shi, S. Siahrostami, G. Li, Y. Zhang, P. Chakthranont, F. Studt, T. Jaramillo, X. Zheng, J. Nǿrskov, Nat. Commun. 2017, 8, 701.
48. Y. Miyase, S. Takasugi, S. Iguchi, Y. Miseki, T. Gunji, K. Sasaki, E. Fujita, K. Sayama, Sustainable Energy Fuels 2018, 2, 1621.
49. A. K. Mel'nikov, T. P. Firsova, A. N. Molodkina, Russ. J. Inorg. Chem. 1962, 7, 637.
50. a) D. E. Richardson, H. Yao, K. M. Frank, D. A. Bennett, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 1729;
51. b) R. E. Dinnebier, S. Vensky, P. W. Stephens, M. Jansen, Angew. Chem., Int. Ed. 2002, 41, 1922;
52. c) E. J. Ruiz, R. Ortega-Borges, J. L. Jurado, T. W. Chapman, Y. Meas, Electrochem. Solid-State Lett. 2009, 12, E1;
53. d) E. V. Bakhmutova-Albert, H. Yao, D. E. Denevan, D. E. Richardson, Inorg. Chem. 2010, 49, 11287.
54. H. Kornweitz, D. Meyerstein, Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 11069.
55. D. E. Scaife, Sol. Energy 1980, 25, 41.
56. a) K. Maeda, K. Teramura, D. Lu, T. Takata, N. Saito, Y. Inoue, K. Domen, Nature 2006, 440, 295;
57. b) K. Maeda, K. Teramura, K. Domen, J. Catal. 2008, 254, 198.
58. Y. Lee, H. Terashita, Y. Shimodaira, K. Teramura, M. Hara, H. Kobayashi, K. Domen, M. Yashima, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 1042.
59. K. Sayama, R. Yoshida, H. Kusama, K. Okabe, Y. Abe, H. Arakawa, Chem. Phys. Lett. 1997, 277, 387.
60. R. Abe, K. Sayama, K. Domen, H. Arakawa, Chem. Phys. Lett. 2001, 344, 339.
61. K. Sayama, K. Mukasa, R. Abe, Y. Abe, H. Arakawa, Chem. Commun. 2001, 2416.
62. W. Erbs, J. Desilvestro, E. Borgarello, M. Graetzel, J. Phys. Chem. 1984, 88, 4001.
63. a) K. Sayama, K. Mukasa, R. Abe, Y. Abe, H. Arakawa, J. Photochem. Photobiol. A 2002, 148, 71;
64. b) R. Abe, K. Sayama, H. Sugihara, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 16052.
65. K. Fujihara, T. Ohno, M. Matsumura, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1998, 94, 3705.
66. a) T. Ishii, S. Nakagawa, H. Kato, A. Kudo, in Abstract of the Chemical Society of Japan Spring Meeting, Vol. 78, The Chemical Society of Japan, Nihon University, Chiba, Japan 2000, p. 322 (3H2-11);
67. b) T. Ishii, H. Kato, A. Kudo, J. Photochem. Photobiol. A 2004, 163, 181.
68. Y. Miseki, S. Fujiyoshi, T. Gunji, K. Sayama, Catal. Sci. Technol. 2013, 3, 1750.
69. R. Konta, T. Ishii, H. Kato, A. Kudo, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 8992.
70. H. Kato, M. Hori, R. Konta, Y. Shimodaira, A. Kudo, Chem. Lett. 2004, 33, 1348.
71. Y. Sasaki, A. Iwase, H. Kato, A. Kudo, J. Catal. 2008, 259, 133.
72. Y. Miseki, S. Fujiyoshi, T. Gunji, K. Sayama, J. Phys. Chem. C 2017, 121, 9691.
73. S. S. K. Ma, K. Maeda, T. Hisatomi, M. Tabata, A. Kudo, K. Domen, Chem. Eur. J. 2013, 19, 7480.
74. K. Maeda, D. Lu, K. Domen, J. Catal. 2013, 3, 1026.
75. A. Nakada, S. Nishioka, J. J. M. Vequizo, K. Muraoka, T. Kanazawa, A. Yamakata, S. Nozawa, H. Kumagai, H. Adachi, O. Ishitani, J. Mater. Chem. A 2017, 5, 11710.
76. H. Kato, Y. Sasaki, N. Shirakura, A. Kudo, J. Mater. Chem. A 2013, 51, 12327.
77. K. Sayama, R. Abe, H. Arakawa, H. Sugihara, Catal. Commun. 2006, 7, 96.
78. J. Mack, J. R. Bolton, J. Photochem. Photobiol. A 1999, 128, 1.
79. S. Devahasdim, C. Fan, J. K. Li, D. Chen, J. Photochem. Photobiol. A 2003, 156, 161.
80. a) R. Abe, K. Shinmei, K. Hara, B. Ohtani, Chem. Commun. 2009, 3577;
81. b) R. Abe, K. Shinmei, N. Koumura, K. Hara, B. Ohtani, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 16872.
82. A. Iwase, S. Yoshino, T. Takayama, Y. H. Ng, R. Amal, A. Kudo, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10260.
83. Y. Miseki, H. Kusama, H. Sugihara, K. Sayama, J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 1196.
84. S. Mizuta, W. Kondo, K. Fujii, H. Iida, S. Isshiki, H. Noguchi, T. Kikuchi, H. Sue, K. Sakai, Ind. Eng. Chem. Res. 1991, 30, 1601.
85. Z. Takehara, H. Mori, A. Ohdera, M. Uragami, S. Yoshizawa, Int. J. Hydrogen Energy 1983, 1, 23.
86. Y. Asaoka, M. Uotani, CRIEPI Research Report, T02039 2003, 1.
87. Y. Miseki, K. Sayama, RSC Adv. 2014, 4, 8308.
88. T. Arai, M. Yanagida, Y. Konishi, H. Sugihara, K. Sayama, Electrochemistry 2008, 76, 128.
89. Y. Miseki, H. Kusama, H. Sugihara, K. Sayama, Chem. Lett. 2011, 39, 846.
90. T. Ohno, D. Haga, K. Fujihara, K. Kaizaki, M. Matsumura, J. Phys. Chem. B 1997, 101, 6415.
91. H. Kato, Y. Sasaki, A. Iwase, A. Kudo, Bull. Chem. Soc. Jpn. 2007, 80, 2457.
92. S. P. Moulik, K. K. S. Gupta, J. Indian Chem. Soc. 1972, 49, 447.
93. R. A. Whiteker, N. Davidson, J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 3081.
94. Y. Miseki, K. Sayama, Chem. Commun. 2018, 54, 2670.
95. K. Soma, A. Iwase, A. Kudo, Catal. Lett. 2014, 144, 1962.
96. D. L. Klass, Encycl. Energy 2004, 1, 193.
97. a) T. Arai, Y. Konishi, Y. Iwasaki, H. Sugihara, K. Sayama, J. Comb. Chem. 2007, 9, 574;
98. b) R. Saito, Y. Miseki, N. Wang, K. Sayama, ACS Comb. Sci. 2015, 17, 592.
99. a) K. Sayama, ACS Energy Lett. 2018, 3, 1093;
100. b) R. Ciriminna, L. Albanese, F. Meneguzzo, M. Pagliaro, ChemSusChem 2016, 9, 3374.
101. S. Trasatti, Electrochim. Acta 1991, 36, 225.
102. W. Mtangi, V. Kiran, C. Fontanesi, R. Naaman, J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 4916.
103. M. G. Mavros, J. J. Shepherd, T. Tsuchimochi, A. R. Mcisaac, T. V. Voorhis, J. Phys. Chem. C 2017, 121, 15665.
104. S. W. Kohl, L. Weiner, L. Schwartsburd, L. Konstantinovski, L. J. W. Shimon, Y. B. David, M. A. Iron, D. Milstein, Science 2009, 324, 74.