journal article·2015-08

Solar fuel production: Strategies and new opportunities with nanostructures

Zhaosheng Li, Jianyong Feng, Shicheng Yan, Zhigang Zou

Nano Today· Volume 10· Issue 4
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Abstract

Summary The photocatalytic and photoelectrochemical reduction of water or CO 2 is an intriguing approach to producing sustainable solar fuels, and has attracted growing and intense interest. Nanostructuring of photocatalysts and photoelectrodes has been proven to be a strong strategy to dramatically improve overall solar-to-fuel conversion efficiencies. Another technological barrier for the practical implementation of solar fuel production is long-term material durability, which has recently been well addressed through use of conformal coatings of protective layers onto the narrow band-gap semiconductors that are suitable for efficient solar-to-fuel conversions but photoelectrochemically unstable. These significant progresses may lead us to the practical implementation of solar fuel production. In this review, we will focus on these exciting progresses achieved using nanostructuring strategies, specifically regarding how the nanostructure influences the charge transport and separation; special attention will be paid to how a nanoscale coating (overlayer) passivates the surface states, thereby reducing the surface electron–hole recombination, and how a nanoscale coating (protective layer) prevents the photocorrosion or photopassivation of the semiconductors with optimal band gaps. We hope that the design strategies using these nanostructures will offer new and greater opportunities for efficient solar fuel production to existing photocatalytic and photoelectrochemical systems.
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Research context

OpenAlex topics: Advanced Photocatalysis Techniques · Copper-based nanomaterials and applications · Iron oxide chemistry and applications

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References (100+)

Show source-provided references
1. Fujishima · Nature · 1972 · 238 · 3710.1038/238037a0 ↗
2. Walter · Chem. Rev. · 2010 · 110 · 644610.1021/cr1002326 ↗
3. Li · Energy Environ. Sci. · 2013 · 6 · 34710.1039/C2EE22618A ↗
4. Hisatomi · Chem. Soc. Rev. · 2014 · 43 · 752010.1039/C3CS60378D ↗
5. Moniz · Energy Environ. Sci. · 2015 · 8 · 73110.1039/C4EE03271C ↗
6. Tu · Adv. Mater. · 2014 · 26 · 460710.1002/adma.201400087 ↗
7. Wang · Chem. Soc. Rev. · 2014 · 43 · 746910.1039/C3CS60370A ↗
8. Liu · Energy Environ. Sci. · 2014 · 7 · 250410.1039/C4EE00450G ↗
9. Kumar · Annu. Rev. Phys. Chem. · 2012 · 63 · 54110.1146/annurev-physchem-032511-143759 ↗
10. Sivula · J. Phys. Chem. Lett. · 2013 · 4 · 162410.1021/jz4002983 ↗
11. Hu · Science · 2014 · 344 · 100510.1126/science.1251428 ↗
12. Lichterman · Energy Environ. Sci. · 2014 · 7 · 333410.1039/C4EE01914H ↗
13. Li · Angew. Chem. Int. Ed. · 2013 · 42 · 1101610.1002/anie.201305350 ↗
14. Tilley · Angew. Chem. Int. Ed. · 2010 · 49 · 640510.1002/anie.201003110 ↗
15. Higashi · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 1023810.1021/ja404030x ↗
16. Ueda · J. Am. Chem. Soc. · 2015 · 137 · 222710.1021/ja5131879 ↗
17. Feng · Adv. Funct. Mater. · 2014 · 24 · 353510.1002/adfm.201304046 ↗
18. Lee · Angew. Chem. Int. Ed. · 2012 · 51 · 1076010.1002/anie.201203174 ↗
19. Warren · Energy Environ. Sci. · 2012 · 5 · 965310.1039/c2ee23192a ↗
20. Yokoyama · Electrochem. Commun. · 2010 · 12 · 85110.1016/j.elecom.2010.04.004 ↗
21. McKone · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 22310.1021/ja308581g ↗
22. Brillet · Nano Lett. · 2010 · 10 · 415510.1021/nl102708c ↗
23. Osterloh · Chem. Soc. Rev. · 2013 · 42 · 229410.1039/C2CS35266D ↗
24. Cowan · Chem. Soc. Rev. · 2013 · 42 · 228110.1039/C2CS35305A ↗
25. Mayer · Acc. Chem. Res. · 2013 · 46 · 155810.1021/ar300302z ↗
26. Baxter · Annu. Rev. Phys. Chem. · 2014 · 65 · 42310.1146/annurev-physchem-040513-103742 ↗
27. Wang · J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev. · 2014 · 19 · 3510.1016/j.jphotochemrev.2013.10.006 ↗
28. Zhou · Nano Today · 2013 · 8 · 59810.1016/j.nantod.2013.12.002 ↗
29. Zhen · Chem. Commun. · 2013 · 49 · 301910.1039/c3cc40760h ↗
30. Yan · Chem. Commun. · 2012 · 48 · 104810.1039/C1CC16185G ↗
31. Yan · Chem. Commun. · 2011 · 47 · 563210.1039/c1cc10513b ↗
32. Yan · Angew. Chem. Int. Ed. · 2010 · 49 · 640010.1002/anie.201003270 ↗
33. Hagfeldt · J. Electroanal. Chem. · 1995 · 381 · 3910.1016/0022-0728(94)03622-A ↗
34. Sun · ACS Catal. · 2014 · 4 · 349810.1021/cs501076a ↗
35. Wang · Chem. Mater. · 2015 · 27 · 236010.1021/cm503887t ↗
36. Peharz · Int. J. Hydrogen Energy · 2007 · 32 · 324810.1016/j.ijhydene.2007.04.036 ↗
37. Kenney · Science · 2013 · 342 · 83610.1126/science.1241327 ↗
38. Mei · J. Phys. Chem. Lett. · 2014 · 5 · 345610.1021/jz501872k ↗
39. Barroso · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2012 · 109 · 1556010.1073/pnas.1118326109 ↗
40. Chen · J. Mater. Res. · 2010 · 25 · 310.1557/JMR.2010.0020 ↗
41. Dotan · Energy Environ. Sci. · 2011 · 4 · 95810.1039/C0EE00570C ↗
42. Zhong · J. Am. Chem. Soc. · 2011 · 133 · 1837010.1021/ja207348x ↗
43. Bian · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 45810.1021/ja410994f ↗
44. Warren · Nat. Mater. · 2013 · 12 · 84210.1038/nmat3684 ↗
45. Zhao · Adv. Energy Mater. · 2014 · 4 · 130178510.1002/aenm.201301785 ↗
46. Li · Adv. Mater. · 2013 · 25 · 12510.1002/adma.201202582 ↗
47. Li · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 256610.1038/ncomms3566 ↗
48. Liu · Nano Lett. · 2013 · 13 · 298910.1021/nl401615t ↗
49. Nguyen · Nano Lett. · 2011 · 11 · 191910.1021/nl104536x ↗
50. Liao · Adv. Funct. Mater. · 2012 · 24 · 306610.1002/adfm.201102966 ↗
51. Rao · Nano Lett. · 2014 · 14 · 109910.1021/nl500022z ↗
52. Gaillard · J. Mater. Res. · 2010 · 25 · 4510.1557/JMR.2010.0019 ↗
53. Bär · Appl. Phys. Lett. · 2010 · 96 · 03210710.1063/1.3291689 ↗
54. Boettcher · J. Am. Chem. Soc. · 2011 · 133 · 121610.1021/ja108801m ↗
55. Lin · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 550810.1021/ja300319g ↗
56. Abdi · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 219510.1038/ncomms3195 ↗
57. Khaselev · Science · 1998 · 280 · 42510.1126/science.280.5362.425 ↗
58. Youngblood · J. Am. Chem. Soc. · 2009 · 131 · 92610.1021/ja809108y ↗
59. Reece · Science · 2011 · 334 · 64510.1126/science.1209816 ↗
60. Brillet · J. Mater. Res. · 2010 · 25 · 1710.1557/JMR.2010.0009 ↗
61. Zhou · Angew. Chem. Int. Ed. · 2013 · 52 · 8583
62. Zhu · Adv. Energy Mater. · 2012 · 2 · 149710.1002/aenm.201200269 ↗
63. E. S. Aydil10.1039/C4EE00472H ↗
64. Le Formal · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 256410.1021/ja412058x ↗
65. Bard · J. Am. Chem. Soc. · 1980 · 102 · 367110.1021/ja00531a001 ↗
66. Le Formal · J. Phys. Chem. C · 2012 · 116 · 2670710.1021/jp308591k ↗
67. Du · Angew. Chem. Int. Ed. · 2013 · 52 · 1269210.1002/anie.201306263 ↗
68. Klahr · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 429410.1021/ja210755h ↗
69. Iandolo · Angew. Chem. Int. Ed. · 2014 · 53 · 340410.1002/anie.201406800 ↗
70. Klahr · J. Phys. Chem. C · 2014 · 118 · 1039310.1021/jp500543z ↗
71. Klahr · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 1669310.1021/ja306427f ↗
72. Le Formal · Chem. Sci. · 2011 · 2 · 73710.1039/C0SC00578A ↗
73. Hisatomi · Energy Environ. Sci. · 2011 · 4 · 251210.1039/c1ee01194d ↗
74. Kim · Energy Environ. Sci. · 2013 · 6 · 373210.1039/c3ee42151a ↗
75. Lin · Nat. Mater. · 2014 · 13 · 8110.1038/nmat3811 ↗
76. Haman · Nat. Mater. · 2014 · 13 · 310.1038/nmat3843 ↗
77. Young · Chem. Commun. · 2014 · 50 · 872710.1039/C4CC02598A ↗
78. Le Formal · Adv. Funct. Mater. · 2010 · 20 · 109910.1002/adfm.200902060 ↗
79. Hisatomi · Faraday Discuss. · 2012 · 155 · 22310.1039/C1FD00103E ↗
80. Liang · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 1759410.1021/jp203004v ↗
81. Steier · Adv. Funct. Mater. · 2014 · 24 · 768110.1002/adfm.201402742 ↗
82. Eisenberg · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 1401110.1021/ja5082475 ↗
83. Liang · Int. J. Photoenergy · 2008 · 2008 · 73986410.1155/2008/739864 ↗
84. Hwang · Nano Lett. · 2009 · 9 · 41010.1021/nl8032763 ↗
85. Chen · Nat. Mater. · 2011 · 10 · 53910.1038/nmat3047 ↗
86. Paracchino · Nat. Mater. · 2011 · 10 · 45610.1038/nmat3017 ↗
87. Paracchino · Energy Environ. Sci. · 2012 · 5 · 867310.1039/c2ee22063f ↗
88. Ji · Nat. Nanotechnol. · 2015 · 10 · 8410.1038/nnano.2014.277 ↗
89. Strandwitz · J. Phys. Chem. C · 2013 · 117 · 493110.1021/jp311207x ↗
90. Sun · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2014 · 16 · 461210.1039/C4CP00033A ↗
91. Lichterman · J. Phys. Chem. Lett. · 2013 · 4 · 418810.1021/jz4022415 ↗
92. Kim · Science · 2014 · 343 · 99010.1126/science.1246913 ↗
93. Tilley · Adv. Funct. Mater. · 2014 · 24 · 30310.1002/adfm.201301106 ↗
94. Morales-Guio · Nat. Commun. · 2014 · 5 · 305910.1038/ncomms4059 ↗
95. Liu · Angew. Chem. Int. Ed. · 2014 · 53 · 729510.1002/anie.201404697 ↗
96. Sun · J. Phys. Chem. Lett. · 2015 · 6 · 59210.1021/jz5026195 ↗
97. Sun · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2015 · 112 · 361210.1073/pnas.1423034112 ↗
98. Kohl · J. Electrochem. Soc. · 1977 · 124 · 22510.1149/1.2133270 ↗
99. Seger · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 105710.1021/ja309523t ↗
100. Bao · Nat. Nanotechnol. · 2015 · 10 · 1910.1038/nnano.2014.322 ↗