Earth-Abundant Molecular Z-Scheme Photoelectronical Cell for Overall Water-Splitting

in: Journal of the American Chemical Society (2019)
Windle, Christopher D.; Kumagai, Hiromu; Higashi, Masanobu; Brisse, Romain; Abe, Ryu; Ishitani, Osamu; Artero, Vincent; Bold, Sebastian; Chavarot-Kerlidou, Murielle; Jousselme, Bruno; Maeda, Kazuhiko
A push−pull organic dye and a cobaloxime catalyst were successfully cografted on NiO and CuGaO2 to form efficient molecular photocathodes for H2 production with >80% Faradaic efficiency. CuGaO2 is emerging as a more effective p-type semiconductor in photoelectrochemical cells and yields a photocathode with 4-fold higher photocurrent densities and 400 mV more positive onset photocurrent potential compared to the one based on NiO. Such an optimized CuGaO2 photocathode was combined with a TaON|CoOx photoanode in a photoelectrochemical cell. Operated in this Z-scheme configuration, the two photoelectrodes produced H2 and O2 from water with 87% and 88% Faradaic efficiency, respectively, at pH 7 under visible light and in the absence of an applied bias, equating to a solar to hydrogen conversion efficiency of 5.4 × 10−3%. This is, to the best of our knowledge, the highest efficiency reported so far for a molecular-based noble metal-free water splitting Z-scheme.

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