Progress in designing effective photoelectrodes for solar water splitting

doi:10.1016/S1872-2067(17)62998-X

Abstract

Abstract:

Photoelectrochemical (PEC) water splitting process is regarded as a promising route to generate hydrogen by solar energy and at the heart of PEC is efficient electrode design. Great progress has been achieved in the aspects of material design, cocatalyst study, and electrode fabrication over the past decades. However, some key challenges remain unsolved, including the most demanded conversion efficiency issue. As three critical steps, i.e. light harvesting, charge transfer and surface reaction of the PEC process, occur in a huge range of time scale (from 10^-12 s to 10⁰ s), how to manage these subsequent steps to facilitate the seamless cooperation between each step to realize efficient PEC process is essentially important. This review focuses on an integral consideration of the three key criteria based on the recent progress on high efficient and stable photoelectrode design in PEC. The basic principles and potential strategies are summarized. Moreover, the challenge and perspective are also discussed.

Key words: Solar energy, Hydrogen production, Photoelectrode, Light harvesting, Charge separation, Surface reaction

Zhiliang Wang, Lianzhou Wang. Progress in designing effective photoelectrodes for solar water splitting[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(3): 369-378.

×
share this article

Add to citation manager EndNote|Ris|BibTeX

URL: https://www.cjcatal.com/EN/10.1016/S1872-2067(17)62998-X

https://www.cjcatal.com/EN/Y2018/V39/I3/369

References

[1] B. Kumar, M. Llorente, J. Froehlich, T. Dang, A. Sathrum, C. P. Kubiak, Annu. Rev. Rhys. Chem., 2012, 63, 541-569.
[2] M. G. Walter, E. L. Warren, J. R. McKone, S. W. Boettcher, Q. Mi, E. A. Santori, N. S. Lewis, Chem. Rev., 2010, 110, 6446-6473.
[3] Z. B. Chen, T. F. Jaramillo, T. G. Deutsch, A. Kleiman-Shwarsctein, A. J. Forman, N. Gaillard, R. Garland, K. Takanabe, C. Heske, M. Sunkara, E. W. McFarland, K. Domen, E. L. Miller, J. A. Turner, H. N. Dinh, J. Mater. Res., 2010, 25, 3-16.
[4] M. Gratzel, Nature, 2001, 414, 338.
[5] A. Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37-38.
[6] R. Shinar, J. H. Kennedy, Sol. Energy Mater., 1982, 6, 323-335.
[7] C. Zhen, L. Wang, G. Liu, G. Q. M. Lu, H. M. Cheng, Chem. Comm. 2013, 49, 3019-3021.
[8] G. J. Liu, J. Y. Shi, F. X. Zhang, Z. Chen, J. F. Han, C. M. Ding, S. S. Chen, Z. L. Wang, H. X. Han, C. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 7295-7299.
[9] Z. L. Wang, J. F. Han, Z. Li, M. R. Li, H. Wang, X. Zong, C. Li, Adv. Energy Mater.,2016, 6, 1600864.
[10] K. P. Sokol, D. Mersch, V. Hartmann, J. Z. Zhang, M. M. Nowaczyk, M. Rögner, A. Ruff, W. Schuhmann, N. Plumeré, E. Reisner, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 3698-3709.
[11] Z. Yu, F. Li, L. C. Sun, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 760-775.
[12] A. J. Bard, M. A. Fox, Acc. Chem. Res., 1995, 28, 141-145.
[13] K. Sivula, Chimia, 2013, 67, 155-161.
[14] Z. Zhang, J. T. Yates Jr, Chem. Rev., 2012, 112, 5520-5551.
[15] R. H. Wilson, Crit. Rev. Solid State and Mater. Sci., 1980, 10, 1-41.
[16] H. Gerischer, Electrochi. Acta, 1990, 35, 1677-1699.
[17] H. Gerischer, in:Photovoltaic and photoelectrochemical solar energy conversion, Springer, 1981, 199-261.
[18] S. Soedergren, A. Hagfeldt, J. Olsson, S. E. Lindquist, J. Phys. Chem., 1994, 98, 5552-5556.
[19] H. Dotan, K. Sivula, M. Grätzel, A. Rothschild, S. C. Warren, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 958-964.
[20] Z. L. Wang, G. J. Liu, C. M. Ding, Z. Chen, F. X. Zhang, J. Y. Shi, C. Li, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 19607-19612.
[21] G. M. Wang, X. H. Xiao, W. Q. Li, Z. Y. Lin, Z. P. Zhao, C. Chen, C. Wang, Y. J. Li, X. Q. Huang, L. Miao, C. Z. Jiang, Y. Huang, X. F. Duan, Nano Lett., 2015, 15, 4692-4698.
[22] S. Hoang, S. P. Berglund, N. T. Hahn, A. J. Bard, C. B. Mullins, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 3659-3662.
[23] S. Hoang, S. W. Guo, N. T. Hahn, A. J. Bard, C. B. Mullins, Nano Lett., 2011, 12, 26-32.
[24] S. J. Zhuo, M. W. Shao, S. T. Lee, ACS Nano, 2012, 6, 1059-1064.
[25] C. X. Guo, Y. Q. Dong, H. B. Yang, C. M. Li, Adv. Energy Mater., 2013, 3, 997-1003.
[26] X. Zhang, H. Huang, J. Liu, Y. Liu, Z. H. Kang, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 11529-11533.
[27] P. Peerakiatkhajohn, J. H. Yun, H. Chen, M. Lyu, T. Butburee, L. Wang, Adv. Mater., 2016, 28, 6405-6410.
[28] H. J. Chen, Q. Wang, M. Q. Lyu, Z. Zhang, L. Z. Wang, Chem. Comm., 2015, 51, 12072-12075.
[29] P. Peerakiatkhajohn, T. Butburee, J. H. Yun, H. J. Chen, R. M. Richards, L. Z. Wang, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 20127-20133.
[30] P. Zhang, L. Gao, X. F. Song, J. Sun, Adv. Mater., 2015, 27, 562-568.
[31] K. Sivula, F. Le Formal, M. Grätzel, ChemSusChem, 2011, 4, 432-449.
[32] J. K. Li, Y. C. Qiu, Z. H. Wei, Q. F. Lin, Q. P. Zhang, K. Y. Yan, H. N. Chen, S. Xiao, Z. Y. Fan, S. H. Yang, Energy Environ. Sci., 2014, 7, 3651-3658.
[33] Y. C. Qiu, S. F. Leung, Q. P. Zhang, B. Hua, Q. F. Lin, Z. H. Wei, K. H. Tsui, Y. G. Zhang, S. H. Yang, Z. Y. Fan, Nano Lett., 2014, 14, 2123-2129.
[34] Y. C. Qiu, W. Liu, W. Chen, G. M. Zhou, P. C. Hsu, R. F. Zhang, Z. Liang, S. S. Fan, Y. G. Zhang, Y. Cui, Sci. Adv., 2016, 2, e1501764.
[35] F. Le Formal, S. R. Pendlebury, M. Cornuz, S. D. Tilley, M. Gratzel, J. R. Durrant, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 2564-2574.
[36] R. Liu, Z. Zheng, J. Spurgeon, X. G. Yang, Energy Environ. Sci., 2014, 7, 2504-2517.
[37] Z. L. Wang, Y. Qi, C. M. Ding, D. Y. Fan, G. J. Liu, Y. L. Zhao, C. Li, Chem. Sci,. 2016, 7, 4391-4399.
[38] F. Le Formal, N. Tétreault, M. Cornuz, T. Moehl, M. Grätzel, K. Sivula, Chem. Sci., 2011, 2, 737-743.
[39] T. Hisatomi, F. Le Formal, M. Cornuz, J. Brillet, N. Tétreault, K. Sivula, M. Grätzel, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2512-2515.
[40] C. Zachäus, F. F. Abdi, L. M. Peter, R. van de Krol, Chem. Sci., 2017, 8, 3712-3719.
[41] B. Klahr, T. Hamann, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 10393-10399.
[42] O. Zandi, T. W. Hamann, Nat. Chem., 2016, 8, 778-783.
[43] Z. L. Wang, F. T. Fan, S. Y. Wang, C. M. Ding, Y. L. Zhao, C. Li, RSC Adv., 2016, 6, 85582-85586.
[44] Y. Pihosh, K. Mawatari, J. Uemura, Y. Kazoe, T. Kitamori, I. Turkevych, S. Kosar, K. Makita, T. Sugaya, T. Matsui, M. Kondo, D. Fujita, M. Tosa, Sci. Rep., 2015, 5,11141.
[45] J. Zhao, T. Minegishi, L. Zhang, M. Zhong, M. Nakabayashi, G. J. Ma, T. Hisatomi, M. Katayama, S. Ikeda, N. Shibata, T. Yamada, K. Domen, Angew. Chem. In. Ed., 2014, 53, 11808-11812.
[46] F. Jiang, Gunawan, T. Harada, Y. Kuang, T. Minegishi, K. Domen, S. Ikeda, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 13691-13697.
[47] J. Y. Feng, W. J. Luo, T. Fang, H. Lv, Z. Q. Wang, J. Gao, W. M. Liu, T. Yu, Z. S. Li, Z. G. Zou, Adv. Func. Mater., 2014, 24, 3535-3542.
[48] M. Zhong, T. Hisatomi, Y. Kuang, J. Zhao, M. Liu, A. Iwase, Q. Jia, H. Nishiyama, T. Minegishi, M. Nakabayashi, N. Shibata, R. Niishiro, C. Katayama, H. Shibano, M. Katayama, A. Kudo, T. Yamada, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 5053-5060.
[49] K. Ueda, T. Minegishi, J. Clune, M. Nakabayashi, T. Hisatomi, H. Nishiyama, M. Katayama, N. Shibata, J. Kubota, T. Yamada, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2227-2230.
[50] T. Minegishi, N. Nishimura, J. Kubota, K. Domen, Chem. Sci., 2013, 4, 1120-1124.
[51] J. Y. Liu, T. Hisatomi, G. J. Ma, A. Iwanaga, T. Minegishi, Y. Moriya, M. Katayama, J. Kubota, K. Domen, Energy Environ. Sci., 2014, 7, 2239-2242.
[52] J. Y. Cao, T. Kako, N. Kikugawa, J. H. Ye, J. Phy. D, 2010, 43, 325101.
[53] A. V. Moholkar, S. S. Shinde, G. L. Agawane, S. H. Jo, K. Y. Rajpure, P. S. Patil, C. H. Bhosale, J. H. Kim, J. Alloys Compd., 2012, 544, 145-151.
[54] R. Abe, T. Takata, H. Sugihara, K. Domen, Chem. Lett., 2005, 34, 1162-1163.
[55] R. Abe, M. Higashi, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 11828-11829.
[56] N. T. Hahn, C. B. Mullins, Chem. Mater., 2010, 22, 6474-6482.
[57] C. M. Ding, J. Y. Shi, D. E. Wang, Z. J. Wang, N. Wang, G. J. Liu, F. Q. Xiong, C. Li, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 4589-4595.
[58] F. F. Abdi, L. Han, A. H. M. Smets, M. Zeman, B. Dam, R. Van De Krol, Nat. Commun., 2013, 4, 2195.
[59] S. C. Wang, P. Chen, J. H. Yun, Y. X. Hu, L. Z. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8500-8504.
[60] J. M. Spurgeon, J. M. Velazquez, M. T. McDowell, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 3623-3631.
[61] S. S. Chen, S. Shen, G. J. Liu, Y. Qi, F. X. Zhang, C. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 3047-3051.
[62] G. J. Liu, S. Ye, P. L. Yan, F. Q. Xiong, P. Fu, Z. L. Wang, Z. Chen, J. Y. Shi, C. Li, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 1327-1334.
[63] T. W. Kim, K. S. Choi, Science, 2014, 343, 990-994.
[64] Y. Huang, Y. Yu, Y. Xin, N. Meng, Y. Yu, B. Zhang, Sci. China Mater., 2017, 60, 193-207.
[65] L. Wang, F. Dionigi, N. T. Nguyen, R. Kirchgeorg, M. Gliech, S. Grigorescu, P. Strasser, P. Schmuki, Chem. Mater., 2015, 27, 2360-2366.
[66] Z. L. Wang, X. Zong, Y. Y. Gao, J. F. Han, Z. Q. Xu, Z. Li, C. M. Ding, S. Y. Wang, C. Li, ACS Appl. Mater. Interf., 2017.
[67] A. Paracchino, N. Mathews, T. Hisatomi, M. Stefik, S. D. Tilley, M. Grätzel, Energy Environ. Sci., 2012, 5, 8673-8681.
[68] J. R. McKone, E. L. Warren, M. J. Bierman, S. W. Boettcher, B. S. Brunschwig, N. S. Lewis, H. B. Gray, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 3573-3583.
[69] F. D. Lin, S. W. Boettcher, Nat. Mater., 2014, 13, 81-86.
[70] L. Trotochaud, T. J. Mills, S. W. Boettcher, J. Phys. Chem. Lett., 2013, 4, 931-935.
[71] M. R. Nellist, F. A. L. Laskowski, F. D. Lin, T. J. Mills, S. W. Boettcher, Acc. Chem. Res., 2016, 49, 733-740.
[72] S. Chen, L. W. Wang, Chem. Mater., 2012, 24, 3659-3666.
[73] A. Paracchino, V. Laporte, K. Sivula, M. Grätzel, E. Thimsen, Nat. Mater., 2011, 10, 456.
[74] Z. M. Xia, X. M. Zhou, J. Li, Y. Q. Qu, Sci. Bull., 2015, 60, 1395-1402.
[75] M. J. Kenney, M. Gong, Y. Li, J. Z. Wu, J. Feng, M. Lanza, H. Dai, Science, 2013, 342, 836-840.
[76] C. M. Ding, J. Y. Shi, Z. L. Wang, C. Li, ACS Catal., 2016, 7, 675-688.
[77] P. Peerakiatkhajohn, J. H. Yun, S. Wang, L. Wang, J. Photon. Energy, 2016, 7, 012006.
[78] S. Chu, W. Li, Y. F. Yan, T. Hamann, I. Shih, D. W. Wang, Z. T. Mi, Nano Futures, 2017, 1, 022001.
[79] R. G. Li, Chin. J. Catal., 2017, 38, 5-12.
[80] S. A. Bonke, M. Wiechen, D. R. MacFarlane, L. Spiccia, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2791-2796.
[81] J. S. Luo, J. H. Im, M. T. Mayer, M. Schreier, M. K. Nazeeruddin, N. G. Park, S. D. Tilley, H. J. Fan, M. Grätzel, Science, 2014, 345, 1593-1596.
[82] J. H. Kim, Y. Jo, J. H. Kim, J. W. Jang, H. J. Kang, Y. H. Lee, D. S. Kim, Y. Jun, J. S. Lee, ACS Nano, 2015, 9, 11820-11829.