Dual modification on hematite to minimize small polaron effects and charge recombination for sustainable solar water splitting

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Verissimo, Nathalia C. ; Pires, Fabio A. ; Rodriguez-Gutierrez, Ingrid ; Bettini, Jefferson ; Fiuza, Tanna E. R. ; Biffe, Cleyton A. ; Montoro, Fabiano E. ; Schleder, Gabriel R. ; Castro, Ricardo H. R. ; Leite, Edson R. ; Souza, Flavio L.

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A; v. 12, n. 11, p. 15-pg., 2024-01-20.

Resumo

Hematite nanostructures are strong candidates for the development of sustainable water splitting technologies. However, major challenges exist in improving charge density and minimizing charge recombination rates for a competitive photoelectrochemical performance based on hematite without compromising sustainability aspects. Here we develop a synthetic strategy to leverage earth-abundant Al3+ and Zr4+ in a dual-chemical modification to synergistically minimize small polaron effects and interfacial charge recombination. The solution-based method simultaneously induces Al3+ doping of the hematite crystal lattice while Zr4+ forms interfacial excess, creating a single-phased homogeneous nanostructured thin film. The engineered photoanode increased photocurrent from 0.7 mA cm-2 for pristine hematite up to 4.5 mA cm-2 at 1.23 V and beyond 6.0 mA cm-2 when applying an overpotential of 300 mV under simulated sunlight illumination (100 mW cm-2). The results demonstrate the potential of dual-modification design using solution-based processes to enable sustainable energy technologies. A dual-modification strategy enables the design of hematite with synergistic Al3+ bulk doping and Zr4+ interfacial segregation for improved performance as a photoanode. (AU)

• Processo FAPESP: 23/08273-8 - Engenharia de interfaces em fotoanodos nanoestruturados de hematita produzidos pelo método de solução precursora polimérica para quebra da molécula da água assistida pela luz solar
• Beneficiário: Fabio Augusto Pires
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Processo FAPESP: 21/10672-2 - Correlacionando catálise e auto-regeneração em cerâmicas: investigação da mobilidade atômica de metais sobre filmes finos de ZrO2 em escala atômica por microscopia eletrônica de transmissão in situ
• Beneficiário: Tanna Elyn Rodrigues Fiuza
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 17/02317-2 - Interfaces em materiais: propriedades eletrônicas, magnéticas, estruturais e de transporte
• Beneficiário: Adalberto Fazzio
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 22/04150-6 - Estudo de nanocerâmicas para aplicação em energia: sinterização e interfaces
• Beneficiário: Flavio Leandro de Souza
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Pesquisador Visitante - Internacional
• Processo FAPESP: 17/11986-5 - Geração e Armazenamento de Novas Energias: trazendo desenvolvimento tecnológico para o país
• Beneficiário: Ana Flávia Nogueira
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia