Nanoheterostructured photocatalysts for improving photocatalytic hydrogen production

Abstract

Abstract:

Rapid industrialization has accordingly increased the demand for energy. This has resulted in the increasingly severe energy and environmental crises. Hydrogen production, based on the photocatalytic water splitting driven by sunlight, is able to directly convert solar energy into a usable or storable energy resource, which is considered to be an ideal alternative energy source to assist in solving the energy crisis and environmental pollution. Unfortunately, the hydrogen production efficiency of single phase photocatalysts is too low to meet the practical requirements. The construction of heterostructured photocatalyst systems, which are comprised of multiple components or multiple phases, is an efficient method to facilitate the separation of electron-hole pairs to minimize the energy-waste, provide more electrons, enhance their redox ability, and hence improve the photocatalytic activity. We summarize the recent progress in the rational design and fabrication of nanoheterostructured photocatalysts. The heterojunction photocatalytic hydrogen generation systems can be divided into type-I, type-Ⅱ, pn-junction and Z-scheme junction, according to the differences in the transfer of the photogenerated electrons and holes. Finally, a summary and some of the challenges and prospects for the future development of heterojunction photocatalytic systems are discussed.

Key words: Heterojunction, Conduction band, Valence band, Charge transfer, Photocatalytic hydrogen production

Hong Du, Ya-Nan Liu, Cong-Cong Shen, An-Wu Xu. Nanoheterostructured photocatalysts for improving photocatalytic hydrogen production[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(8): 1295-1306.

×
share this article

Add to citation manager EndNote|Ris|BibTeX

URL: https://www.cjcatal.com/EN/

https://www.cjcatal.com/EN/Y2017/V38/I8/1295

References

[1] S. Chu, A. Majumdar, Nature, 2012, 488, 294-303.
[2] D. P. Sahoo, D. Rath, B. Nanda, K. M. Parida, RSC Adv., 2015, 5, 83707-83724.
[3] Q. J. Xiang, B. Cheng, J. G. Yu, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 11350-11366.
[4] A. Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37-38.
[5] S. S. Chen, F. X. Zhang, Chin. J. Catal., 2014, 35, 1431-1432.
[6] X. B. Chen, S. H. Shen, L. J. Guo, S. S. Mao, Chem. Rev., 2010, 110, 6503-6570.
[7] F. E. Osterlo, Chem. Mater., 2008, 20, 35-54.
[8] X. B. Chen, C. Li, M. Grätzel, R. Kostecki, S. S. Mao, Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 7909-7937.
[9] X. C. Wang, K. Maeda, A. Thomas, K. Takanabe, G. Xin, J. M. Carls-son, K. Domen, M. Antonietti, Nat. Mater., 2009, 8, 76-80.
[10] A. Goetzberger, C. Hebling, H. W. Schock, Mater. Sci. Eng. R, 2003, 40, 1-40.
[11] M. R. Hoffmann, S. T. Martin, W. Choi, D. W. Bahnemann, Chem. Rev., 1995, 95, 69-96.
[12] H. Kato, A. Kudo, Catal. Today, 2003, 78, 561-569.
[13] H. G. Kim, P. H. Borse, W. Choi, J. S. Lee, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 4585-4589.
[14] R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga, Science, 2001, 293, 269-271.
[15] G. Liu, L. Z. Wang, C. H. Sun, X. X. Yan, X. W. Wang, Z. G. Chen, S. C. Smith, H. M. Cheng, G. Q. Lu, Chem. Mater., 2009, 21, 1266-1274.
[16] A. Kudo, Y. Miseki, Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 253-278.
[17] X. B. Chen, L. Liu, P. Y. Yu, S. S. Mao, Science, 2011, 331, 746-750.
[18] Z. G. Zou, J. H. Ye, K. Sayama, H. Arakawa, Nature, 2001, 414, 625-627.
[19] H. Kato, K. Asakura, A. Kudo, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 3082-3089.
[20] X. Zong, H. J. Yan, G. P. Wu, G. J. Ma, F. Y. Wen, L. Wang, C. Li, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 7176-7177.
[21] D. W. Jing, L. J. Guo, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 11139-11145.
[22] H. J. Yan, J. H. Yang, G. J. Ma, G. P. Wu, X. Zong, Z. B. Lei, J. Y. Shi, C. Li, J. Catal., 2009, 266, 165-168.
[23] N. Z. Bao, L. M. Shen, T. Takata, K. Domen, A. Gupta, K. Yanag-isawa, C. A. Grimes, J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 17527-17534.
[24] I. Tsuji, H. Kato, H. Kobayashi, A. Kudo, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 13406-13413.
[25] T. Ohno, L. Bai, T. Hisatomi, K. Maeda, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 8254-8259.
[26] F. Dionigi, P. C. K. Vesborg, T. Pedersen, O. Hansen, S. Dahl, A. K. Xiong, K. Maeda, K. Domen, I. Chorkendorff, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2937-2942.
[27] K. Maeda, K. Teramura, D. L. Lu, T. Takata, N. Saito, Y. Inoue, K. Domen, Nature, 2006, 440, 295.
[28] K. Maeda, K. Teramura, K. Domen, Catal. Surv. Asia, 2007, 11, 145-157.
[29] S. Ye, R. Wang, M. Z. Wu, Y. P. Yuan, Appl. Surf. Sci. A, 2015, 358, 15-27.
[30] F. Le Formal, S. R. Pendlebury, M. Cornuz, S. D. Tilley, M. Grätzel, J. R. Durrant, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 2564-2574.
[31] X. W. Wang, G. Liu, Z. G. Chen, F. Li, G. Q. Lu, H. M. Cheng, Electro-chem. Commun., 2009, 11, 1174-1178.
[32] W. Zhang, Z. Y. Zhong, Y. S. Wang, R. Xu, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 17635-17642.
[33] H. G. Yang, G. Liu, S. Z. Qiao, C. H. Sun, Y. G. Jin, S. C. Smith, J. Zou, H. M. Cheng, G. Q. Lu, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 4078-4083.
[34] H. G. Yang, C. H. Sun, S. Z. Qiao, J. Zou, G. Liu, S. C. Smith, H. M. Cheng, G. Q. Lu, Nature, 2008, 453, 638-641.
[35] W. J. Dai, J. Q. Yan, K. Dai, L. D. Li, N. J. Guan, Chin. J. Catal., 2015, 36, 1968-1975.
[36] T. T. Wu, X. D. Kang, M. W. Kadi, I. Ismail, G. Liu, H. M. Cheng, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2103-2108.
[37] J. S. Jang, S. M. Ji, S. W. Bae, H. C. Son, J. S. Lee, J. Photochem. Photobiolol. A, 2007, 188, 112-119.
[38] X. W. Wang, G. Liu, Z. G. Chen, F. Li, L. Z. Wang, G. Q. Lu, H. M. Cheng, Chem. Commun., 2009, 3452-3454.
[39] H. Tada, T. Mitsui, T. Kiyonaga, T. Akita, K. Tanaka, Nat. Mater., 2006, 5, 782-786.
[40] A. Iwase, Y. H. Ng, Y. Ishiguro, A. Kudo, R. Amal, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 11054-11057.
[41] Y. X. Liu, Z. L. Wang, W. X. Huang, Appl. Surf. Sci., 2016, 389, 760-767.
[42] Q. Q. Hu, J. Q. Huang, G. J. Li, J. Chen, Z. J. Zhang, Z. H. Deng, Y. B. Jiang, W. Guo, Y. G. Cao, Appl. Surf. Sci., 2016, 369, 201-206.
[43] J. X. Low, J. G. Yu, M. Jaroniec, S. Wageh, A. A. Al-Ghamdi, Adv. Mater., 2017, 29, 1601694-1601713.
[44] P. Zhou, J. G. Yu, M. Jaroniec, Adv. Mater., 2014, 26, 4920-4935.
[45] R. G. Li, Chin. J. Catal., 2017, 38, 5-12.
[46] Y. Ma, X. L. Wang, C. Li, Chin. J. Catal., 2015, 36, 1519-1527.
[47] J. X. Low, C. J. Jiang, B. Cheng, S. Wageh, A. A. Al-Ghamdi, J. G. Yu, Small Methods, 2017, 1, 1700080/1-1700080/21.
[48] X. Li, J. G. Yu, J. X. Low, Y. P. Fang, J. Xiao, X. B. Chen, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 2485-2534.
[49] R. Marschall, Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 2421-2440.
[50] L. Huang, X. L. Wang, J. H. Yang, G. Liu, J. F. Han, C. Li, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 11584-11591.
[51] Y. J. Wang, Q. S. Wang, X. Y. Zhan, F. M. Wang, M. Safdar, J. He, Nanoscale, 2013, 5, 8326-8339.
[52] H. McDaniel, P. E. Heil, C. L. Tsai, K. K. Kim, M. Shim, ACS Nano, 2011, 5, 7677-7693.
[53] M. Shim, H. McDaniel, N. Oh, J. Phys. Chem. Lett., 2011, 2, 2722-2727.
[54] J. C. Yu, L. Wu, J. Lin, P. Li, Q. Li, Chem. Commun., 2003, 1552-1553.
[55] Y. J. Wang, R. Shi, J. Lin, Y. F. Zhu, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2922-2929.
[56] Y. J. Wang, Z. X. Wang, S. Muhammad, J. He, CrystEngComm, 2012, 14, 5065-5070.
[57] Y. J. Wang, X. J. Bai, C. S. Pan, J. He, Y. F. Zhu, J. Mater. Chem., 2012, 22, 11568-11573.
[58] H. J. Huang, D. Z. Li, Q. Lin, W. J. Zhang, Y. Shao, Y. B. Chen, M. Sun, X. Z. Fu, Environ. Sci. Technol., 2009, 43, 4164-4168.
[59] W. K. Ho, J. C. Yu, J. Lin, J. Q. Yu, P. Li, Langmuir, 2004, 20, 5865-5869.
[60] Y. Tak, H. Kim, D. Lee, K. Yong, Chem. Commun., 2008, 4585-4587.
[61] Y. Tak, S. J. Hong, J. S. Lee, K. Yong, Cryst. Growth Des., 2009, 9, 2627-2632.
[62] H. M. Chen, C. K. Chen, Y. C. Chang, C. W. Tsai, R. S. Liu, S. F. Hu, W. S. Chang, K. H. Chen, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 5966-5969.
[63] J. Johansson, K. A. Dick, CrystEngComm, 2011, 13, 7175-7184.
[64] Y. Hou, F. Zuo, A. Dagg, P. Y. Feng, Nano Lett., 2012, 12, 6464-6173.
[65] H. X. Li, C. W. Cheng, X. L. Li, J. P. Liu, C. Guan, Y. Y. Tay, H. J. Fan, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 3802-3807.
[66] C. Han, Y. D. Wang, Y. P. Lei, B. Wang, N. Wu, Q. Shi, Q. Li, Nano Res., 2015, 8, 1199-1209.
[67] J. S. Zhang, M. W. Zhang, R. Q. Sun, X. C. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 10145-10149.
[68] Y. Sui, J. H. Liu, Y. W. Zhang, X. K. Tian, W. Chen, Nanoscale, 2013, 5, 9150-9155.
[69] X. X. Xu, G. Liu, C. Randorn, J. T. S. Irvine, Int. J. Hydrogen Energy, 2011, 36, 13501-13507.
[70] J. Y. Zhang, Y. H. Wang, J. Jin, J. Zhang, Z. Lin, F. Huang, J. G. Yu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 10317-10324.
[71] Z. P. Yan, H. T. Wu, A. L. Han, X. X. Yu, P. W. Du, Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39, 13353-13360.
[72] L. Liu, Y. H. Qi, J. S. Hu, Y. H. Liang, W. Q. Cui, Appl. Surf. Sci., 2015, 351, 1146-1154.
[73] S. K. Choi, S. Kim, S. K. Lim, H. Park, J. Phys. Chem. C, 2015, 114, 16475-16480.
[74] Y. J. Xie, X. Zhang, P. J. Ma, Z. J. Wu, L. Y. Piao, Nano Res., 2015, 8, 2092-2101.
[75] H. Du, K. Liang, C. Z. Yuan, H. L. Guo, X. Zhou, Y. F. Jiang, A. W. Xu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 24550-24558.
[76] D. L. Jiang, L. L. Chen, J. J. Zhu, M. Chen, W. D. Shi, J. M. Xie, Dalton Trans., 2013, 42, 15726-15734.
[77] L. M. Jiang, G. Zhou, J. Mi, Z. Y. Wu, Catal. Commun., 2012, 24, 48-51.
[78] P. Khemthong, P. Photai, N. Grisdanurak, Int. J. Hydrogen Energy, 2013, 38, 15992-156001.
[79] M. K. I. Senevirathna, P. K. D. D. P. Pitigala, K. Tennakone, J. Photochem. Photobiol. A, 2005, 171, 257-259.
[80] K. Lalitha, G. Sadanandam, V. D. Kumari, M. Subrahmanyam, B. Sreedhar, N. Y. Hebalkar, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 22181-22189.
[81] D. Barreca, G. Carraro, A. Gasparotto, C. Maccato, O. I. Lebe-dev, A. Parfenova, S. Turner, E. Tondello, G. Van Tendeloo, Langmuir, 2011, 27, 6409-6417.
[82] T. Y. Tsai, S. J. Chang, T. J. Hsueh, H. T. Hsueh, W. Y. Weng, C. L. Hsu, B. T. Dai, Nanoscale Res. Lett., 2011, 6, 575.
[83] D. Sarkar, C. K. Ghosh, S. Mukherjee, K. K. Chattopadhyay, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 331-337.
[84] W. J. Zhou, H. Liu, J. Y. Wang, D. Liu, G. J. Du, J. J. Cui, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2010, 2, 2385-2392.
[85] S. Bala, I. Mondal, A. Goswami, U. Pal, R. Mondal, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 20288-20296.
[86] Y. F. Wang, M. C. Hsieh, J. F. Lee, C. M. Yang, Appl. Catal. B, 2013, 142-143, 626-632.
[87] R. Brahimi, Y. Bessekhouad, A. Bouguelia, M. Trari, J. Photo-chem. Photobiol. A, 2007, 186, 242-247.
[88] S. Banerjee, S. K. Mohapatra, M. Misra, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 12643-12649.
[89] J. G. Yu, W. G. Wang, B. Cheng, Chem. Asian J., 2010, 15, 2499-2506.
[90] B. Sun, G. W. Zhou, T. T. Gao, H. J. Zhang, H. H. Yu, Appl. Surf. Sci., 2016, 364, 322-331.
[91] K. X. Wang, C. L. Shao, X. H. Li, X. Zhang, N. Lu, F. J. Miao, Y. C. Liu, Catal. Commun., 2015, 67, 6-10.
[92] X. X. Wei, C. M. Chen, S. Q. Guo, F. Guo, X. M. Li, X. X. Wang, H. T. Cui, L. F. Zhao, W. Li, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 4667-4675.
[93] L. Y. Wang, W. A. Daoud, Appl. Surf. Sci., 2015, 324, 532-537.
[94] T. R. Han, Y. J. Chen, G. H. Tian, J. Q. Wang, Z. Y. Ren, W. Zhou, H. G. Fu, Nanoscale, 2015, 7, 15924-15934.
[95] Q. D. Truong, J. Y. Liu, C. C. Chung, Y. C. Ling, Catal. Commun., 2012, 19, 85-89.
[96] X. Z. Yue, S. S. Yi, R. W. Wang, Z. T. Zhang, S. L. Qiu, Nanoscale, 2016, 8, 17516-17523.
[97] Y. B. Chen, Z. X. Qin, X. X. Wang, X. Guo, L. J. Guo, RSC Adv., 2015, 5, 18159-18166.
[98] J. Zhang, Z. P. Zhu, X. L. Feng, Chem. Eur. J., 2014, 20, 10632-180635.
[99] F. K. Meng, J. T. Li, S. K. Cushing, M. J. Zhi, N. Q. Wu, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 10286-10289.
[100] Z. J. Sun, Q. D. Yue, J. S. Li, J. Xu, H. F. Zheng, P. W. Du, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 10243-10247.
[101] A. Belhadi, I. Nadjem, S. Zaidat, A. Boudjemaa, M. Trari, Int. J. Energy Res., 2015, 39, 1909-1916.
[102] Y. M. Luo, B. Yin, H. Q. Zhang, Y. Qiu, J. X. Lei, Y. Chang, Y. Zhao, J. Y. Ji, L. Z. Hu, J. Mater. Sci. Mater. Electron., 2016, 27, 2342-2348.
[103] C. J. Dong, X. C. Xiao, G. Chen, H. T. Guan, Y. D. Wang, Mater. Chem. Phys., 2015, 155, 1-8.
[104] G. G. Liu, G. X. Zhao, W. Zhou, Y. Y. Liu, H. Pang, H. B. Zhang, D. Hao, X. G. Meng, P. Li, T. Kako, J. H. Ye, Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 6822-6829.
[105] M. Kumar, J. P. Kar, I. S. Kim, S. Y. Choi, J. M. Myoung, Appl. Phys. A, 2009, 97, 689-692.
[106] J. Chen, P. Rulis, L. Z. Ouyang, S. Satpathy, Y. W, Ching, Phys. Rev. B, 2006, 74, 235207/1-235207/5.
[107] Y. X. Li, W. Wlodarski, K. Galatsis, S. H. Moslih, J. Cole, S. Russo, N. Rockelmann, Sens. Actuators B, 2002, 83, 160-163.
[108] A. Ruiz, A. Cornet, G. Sakai, K. Shimanoe, J. R. Morante, N. Yamazoe, Chem. Lett., 2002, 892-894.
[109] S. F. Chen, W. Liu, S. J. Zhang, Y. H. Chen, J. Sol-Gel Sci. Technol., 2010, 54, 258-267.
[110] C. Kim, K. S. Kim, H. Y. Kim, Y. S. Han, J. Mater. Chem., 2008, 18, 5809-5814.
[111] A. M. Ruiz, G. Sakai, A. Cornet, K. Shimanoe, J. R. Morante, N. Yamazoe, Sens Actuators B, 2003, 93, 509-518.
[112] S. Liu, T. H. Xie, Z. Chen, J. T. Wu, Appl. Surf. Sci., 2009, 255, 8587-8592.
[113] D. J. Mowbray, J. I. Martinez, J. M. G. Garca-Lastra, K. S. Thy-gesen, K. W. Jacobsen, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 12301-12308.
[114] D. Wang, Y. H. Zou, S. C. Wen, D. Y. Fan, Appl. Phys. Lett., 2009, 95, 012106/1-012106/3.
[115] S. H. Wei, Comput. Mater. Sci., 2004, 30, 337-348.
[116] J. B. Li, S. H. Wei, S. S. Li, J. B. Xia, Phys. Rev. B, 2006, 74, 081201/1-081201/4.
[117] F. F. Xia, Z. B. Shao, Y. Y. He, R. B. Wang, X. F. Wu, T. H. Jiang, S. Duhm, J. W. Zhao, S. T. Lee, J. S. Jie, ACS Nano, 2016, 10, 10283-10293.
[118] F. Z. Li, L. B. Luo, Q. D. Yang, D. Wu, C. Xie, B. Nie, J. S. Jie, C. Y. Wu, L. Wang, S. H. Yu, Adv. Energy Mater., 2013, 3, 579-583.
[119] D. Wu, Y. Jiang, Y. G. Zhang, J. W. Li, Y. Q. Yu, Y. P. Zhang, Z. F. Zhu, L. Wang, C. Y. Wu, L. B. Luo, J. S. Jie, J. Mater. Chem., 2012, 22, 6206-6212.
[120] A. J. Bard, J. Photochem., 1979, 10, 59-75.
[121] K. Maeda, ACS Catal., 2013, 3, 1486-1503.
[122] Mingce, Weimin, H. Kisch, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 548-554.
[123] R. Abe, K. Sayama, K. Sugihara, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 16052-16061.
[124] D. F. Wang, Z. G. Zou, J. H. Ye, Chem. Mater., 2005, 17, 3255-3261.
[125] R. Abe, T. Takata, H. Sugihara, K. Domen, Chem. Commun., 2005, 3829-3831.
[126] Y. Sasaki, A. Iwase, H. Kato, A. Kudo, J. Catal., 2008, 259, 133-137.
[127] A. Kudo, MRS Bull., 2011, 36, 32-38.
[128] H. Suzuki, O. Tomita, M. Higashi, R. Abe, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 2640-2648.
[129] R. Abe, M. Higashi, K. Domen, ChemSusChem, 2011, 4, 228-237.
[130] K. Maeda, K. Domen, J. Phys. Chem. Lett., 2010, 1, 2655-2661.
[131] S. T. Kochuveedu, Y. H. Jang, D. H. Kim, Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 8467-8493.
[132] K. E. Byun, H. J. Chung, J. Lee, H. Yang, H. J. Song, J. Heo, D. H. Seo, S. Park, S. W. Hwang, I. Yoo, K. Kim, Nano Lett., 2013, 13, 4001-4005.
[133] H. L. Guo, H. Du, Y. F. Jiang, N. Jiang, C. C. Shen, X. Zhou, Y. N. Liu, A. W. Xu, J. Phys. Chem. C, 2017, 121, 107-114.
[134] R. Marschall, Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 2421-2440.
[135] D. C. Hurum, A. G. Agrios, K. A. Gray, T. Rajh, M. C. Thurnauer, J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 4545-4549.
[136] F. Y. Xu, W. Xiao, B. Cheng, J. G. Yu, Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39, 15394-15402.