Nanostructured Indium Oxide Coated Silicon Nanowire Arrays: A Hybrid Photothermal/Photochemical Approach to Solar Fuels

Abstract

The field of solar fuels seeks to harness abundant solar energy by driving useful molecular transformations. Of particular interest is the photodriven conversion of greenhouse gas CO2 into carbon-based fuels and chemical feedstocks, with the ultimate goal of providing a sustainable alternative to traditional fossil fuels. Nonstoichiometric, hydroxylated indium oxide nanoparticles, denoted In2O3-x(OH)y, have been shown to function as active photocatalysts for CO2 reduction to CO via the reverse water gas shift reaction under simulated solar irradiation. However, the relatively wide band gap (2.9 eV) of indium oxide restricts the portion of the solar irradiance that can be utilized to ∼9%, and the elevated reaction temperatures required (150-190 °C) reduce the overall energy efficiency of the process. Herein we report a hybrid catalyst consisting of a vertically aligned silicon nanowire (SiNW) support evenly coated by In2O3-x(OH)y nanoparticles that utilizes the vast majority of the solar irradiance to simultaneously produce both the photogenerated charge carriers and heat required to reduce CO2 to CO at a rate of 22.0 μmol·gcat(-1)·h(-1). Further, improved light harvesting efficiency of the In2O3-x(OH)y/SiNW films due to minimized reflection losses and enhanced light trapping within the SiNW support results in a ∼6-fold increase in photocatalytic conversion rates over identical In2O3-x(OH)y films prepared on roughened glass substrates. The ability of this In2O3-x(OH)y/SiNW hybrid catalyst to perform the dual function of utilizing both light and heat energy provided by the broad-band solar irradiance to drive CO2 reduction reactions represents a general advance that is applicable to a wide range of catalysts in the field of solar fuels.

Photocatalytic Properties of All Four Polymorphs of Nanostructured Iron Oxyhydroxides

“…[18] In this context,t he development of photoactive materials that are cheap and non-toxic has been of great interesto ver the past few decades. [19][20][21][22][23] Titania is the most commonly used photocatalyst to perform many solarpowered catalytic reactions such as water oxidation and dye degradation. [24,25] However,T iO 2 has al arge electronic band gap of 3.2 eV and absorbso nly the UV portion of the solar spectrum,w hich greatly restricts its applications.…”

Von Sonnenlicht zu Brennstoffen: aktuelle Fortschritte der C1‐Solarchemie

“…[117] Ozin und Mitarbeiter beschrieben eine ausgezeichnete Aktivitätvon In 2 O 3Àx (OH) y -NPs fürd ie photokatalytische Reduktion von CO 2 mit H 2 unter sowohl ultraviolettem als auch sichtbarem Licht. [119] Durch Zusammenfügen von In 2 O 3Àx (OH) y -Nanokristallen zu porçsen Nanostäbchen-Überstrukturen [120] oder Integration von In 2 O 3Àx (OH) y mit senkrecht ausgerichteten Silicium-Nanodrähten (SiNWs) [121] wird die photokatalytische RWGS-Aktivität Wegen seines häufigen Vorkommens,s einer Ungiftigkeit und seines niedrigen Kaufpreises ist Silicium ein vielversprechender Halbleiter fürdie Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität. À1 h À1 und 70 nmol g Kat.…”

“…[127,128] Plasmonenanregung von Au-NPs auf einem ZnO-Träger konnte zu einer wesentlichen Erwärmung des Au/ZnO-Katalysators und Umwandlung von CO 2 und H 2 in CO und CH 4 führen. [119][120][121][122] Copyright 2016, AmericanC hemical Society.f)Ursprung des Unterschiedsd er experimentellen Aktivierungsenergie DE a , Exp. In 2 O 3Àx (OH) y fürlichtgetriebene RWGS.…”

“…Nach den faszinierenden Ergebnissen mit In 2 O 3Àx (OH) y wurde entdeckt, dass die Oxidationsstärke des Vorstufenanions eine entscheidende Wirkung auf die Population der Oberflächendefektstellen hat und dadurch auch die photokatalytische Aktivitätb eeinflusst (Abbildung 8a). [119] Durch Zusammenfügen von In 2 O 3Àx (OH) y -Nanokristallen zu porçsen Nanostäbchen-Überstrukturen [120] oder Integration von In 2 O 3Àx (OH) y mit senkrecht ausgerichteten Silicium-Nanodrähten (SiNWs) [121] wird die photokatalytische RWGS-Aktivität [125] Ozin und Mitarbeiter haben gefunden, dass Hydrid-terminierte Silicium-Nanokristalle (ncSi:H) mit einem mittleren Durchmesser von 3.5 nm als heterogenes Einkomponenten-Reduktionsmittel fürdie Umwandlung von CO 2 in CO mit einer Geschwindigkeit von hunderten mmol g À1 h À1 wirken kçnnen (Abbildung 9a). [126] FTIR-Analysen lassen darauf schließen, dass die Si-H-Oberflächenzentren stark zu der Umwandlung von CO 2 in CO beitragen (Abbildung 9b).…”

Highly Efficient Ambient Temperature CO2 Photomethanation Catalyzed by Nanostructured RuO2 on Silicon Photonic Crystal Support

“…[39] Additionally, we showed that the hybrid photocatalyst was able to utilize both light (photochemically) and heat (photothermally) to drive the photoreduction of CO 2 to CO. [39] Additionally, we showed that the hybrid photocatalyst was able to utilize both light (photochemically) and heat (photothermally) to drive the photoreduction of CO 2 to CO.…”