Metal (Zn and W) doped BiVO4 decorated with FeMnOx and FeNiOx cocatalysts for photocatalytic applications

Abstract

Bismuth vanadate (BiVO4) has been considered as an efficient photocatalysts for water splitting in both photocatalytic and photoelectrochemical process, but still the as prepared BiVO4 suffers high charge recombination and low charge transfer efficiency. The efficient photogenerated charge transfer at solid-liquid interface for improving the photoactivity is a key to the device performance for solar energy applications. The metallic dopants and loading co-catalysts are potential processes to suppress the electron-hole recombination. Particularly, site selective co-catalysts have a strong potential to scavenge the holes from BiVO4 surface. However, uniform incorporation of the cocatalyst on the semiconductor surface is also challenging. This study describes simple one step RF-magnetron sputtering deposition of new bimetallic p-type FeMnOx and FeNiOx hole selective cocatalysts over the as prepared, Zn and W doped BiVO4. The loading of bimetallic co-catalysts over as prepared, Zn and W doped BiVO4 have shown a remarkable improvement in photocatalytic O2 evolution. The photocatalytic O2 evolution of the Zn and W doped BiVO4 samples increased as compared to the pristine BiVO4 (93 μmol), where for the Zn doped BiVO4, the oxygen evolution was enhanced to 134 μmol while for W doped BiVO4 it was boosted to 160 μmol under solar irradiation condition (1.5 G) for 3 h. Loading FeMnOx and FeNiOx cocatalysts over Zn and W doped BiVO4 further enhanced the photocatalytic activity to 181 μmol for W doped BiVO4 loaded with FeMnOx. The FeMnOx and FeNiOx bimetallic cocatalysts are p-type in nature, combining with n-type BiVO4 making a p-n junction. Formation of p-n junction is a key to improve the charge transfer and suppress the charge recombination. Our study offers a facile way to boost the photocatalytic activity of BiVO4 by loading a bimetallic cocatalysts via magnetron sputtering as a hole scavenger which can be applied to many other materials for energy applications. Keywords: Hydrothermal synthesis, metal (Zn and W), BiVO4, photocatalysis, FeMnOx and FeNiOx cocatalysts RF-magnetron sputtering, and oxygen evolution.

O vanadato de bismuto (BiVO4) tem sido considerado um fotocatalisador eficiente na quebra da molécula de água em processos fotocatalíticos e fotoeletroquímicos, mas, ainda assim, amostras desse material em sua forma pura demonstram alta recombinação de carga e baixa eficiência na transferência de carga. Um transporte de cargas fotogeradas eficiente na interface sólido-líquido, que resulta em uma maior fotoatividade, é crucial para o desempenho do dispositivo para aplicações em energia solar. A adição de dopantes metálicos e co-catalisadores são processos com potencial de suprimir a recombinação elétron-buraco. Particularmente, os co-catalisadores seletivos ao sítio ativo têm um grande potencial para suprimir os buracos da superfície do BiVO4. No entanto, a incorporação uniforme do cocatalisador na superfície do semicondutor também é desafiadora. Este estudo demonstra a deposição em uma etapa dos co-catalisadores bimetálicos seletivos do tipo p FeMnOx e FeNiOx pela técnica de RF-magnetron sputtering sobre o BiVO4 dopado com Zn e W. A adição dos co-catalisadores sobre o BiVO4 dopado resultou em um notável aumento na evolução fotocatalítica de O2. A evolução fotocatalítica de O2 das amostras de BiVO4 dopadas com Zn e W aumentou em comparação ao BiVO4 puro (93 μmol), sendo para o BiVO4 dopado com Zn de 134 μmol, enquanto para o BiVO4 dopado com W de 160 μmol, sob condições de irradiação solar (1.5 G) pelo período de 3 h. A adição dos co-catalisadores de FeMnOx e FeNiOx sobre o BiVO4 dopado com Zn e W aumentou ainda mais a atividade fotocatalítica, sendo de 181 μmol para BiVO4 dopado com W com adição de FeMnOx. A natureza do tipo p dos cocatalisadores bimetálicos FeMnOx e FeNiOx combinadas com o BiVO4, um material do tipo n, formam uma junção p-n, que é considerada importante para uma melhor transferência de carga e supressão da recombinação de carga. Este estudo oferece uma maneira fácil de aumentar a atividade fotocatalítica do BiVO4 pela adição de co-catalisadores bimetálicos depositados por RFmagnetron sputtering que atuam como supressores de buracos da estrutura de bandas, e que pode ser aplicado a muitos outros materiais para aplicações de energia.