Fotoangeregte Elektronen, die durch Doping-Konzentrationsgradienten angetrieben werden: Mit Strontium-Kationen dotierte, flux-vorbereitete NaTaO3-Photokatalysatoren

Die Elektronen-Lücken-Rekombination konkurriert stets mit den gewünschten Reaktionen auf halbleitenden Photokatalysatoren. Die Reduzierung der Rekombinationswahrscheinlichkeit ist entscheidend für die Erhöhung der quantenmechanischen Effizienz der Reaktionen. Frühere Studien haben gezeigt, dass das Dotieren mit Lanthanoid- oder Erdalkali-Metall-Kationen die Rekombinationswahrscheinlichkeit in NaTaO3-Photokatalysatoren für die künstliche Photosynthese reduzierte. Die Motivation hinter dieser Studie war, herauszufinden, wie die Gastmetall-Kationen die Rekombinationswahrscheinlichkeit reduzierten. NaTaO3-Photokatalysatoren wurden durch Kristallisation in geschmolzenem NaCl-Fluss mit Sr-Kationen dotiert, um 50–100 nm große Partikel der NaTaO3–Sr(Sr1/3Ta2/3)O3 festen Lösung zu produzieren. Die intrapartikuläre Verteilung der Sr-Kationen war empfindlich gegenüber der Eintauchzeit im heißen Fluss bei einer festgelegten Sr-Konzentration von 2 Mol % relativ zu Ta. Eine verlängerte Eintauchdauer von 60 h führte zu einer homogenen Sr-Verteilung. Eine verkürzte Eintauchzeit von 1 h ergab Partikel, die mit einer 3 nm dicken, Sr-akkumulierten Schicht bedeckt waren. Die Population der bandgap-angeregten Elektronen unter MHG–Xe-Lampe-Bestrahlung wurde im 1-h eingetauchten Photokatalysator um das 160-fache im Vergleich zu dem in einem Sr-freien NaTaO3-Photokatalysator erhöht. Im 60-h eingetauchten Photokatalysator war die Bevölkerungssteigerung nicht mehr als 9-fach. Wir interpretierten die große Bevölkerungssteigerung im 1-h eingetauchten Photokatalysator mit einem Konzentrationsgradienten der Sr-Kationen von der Oberfläche zum Volumen. Der Konzentrationsgradient erzeugte einen Energiedifferenzgradienten des Leitungsbandminimums. Fotoangeregte Elektronen wurden entlang des Energiedifferenzgradienten angetrieben, um sich von den Löchern zu trennen. Die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit der Wasserspaltung wurde an den Photokatalysatoren bewertet und zeigte eine 4-fache Steigerung im 1-h eingetauchten Photokatalysator im Vergleich zur Geschwindigkeit im Sr-freien Photokatalysator. Der Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit, der geringer war als die Erhöhung der Elektronenpopulation, wurde einer begrenzten Fraktion von Elektronen zugeschrieben, die den Energiedifferenzgradienten überwanden und zur Oberfläche zurückkehrten.