Fabrication of Nanostructured Heterojunction Electrode for Photo-Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction

Abstract

Heterojunction nanostructures based on transition metal oxide electrodes have attracted significant attention as electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER). In this work, a CoWO₄/ZnO nanostructure heterojunction was developed as an HER electrocatalyst. The individual components were synthesized via the co-precipitation method and subsequently integrated into a heterostructure using the ball milling technique. Compared to pristine CoWO₄ and ZnO, the CoWO₄/ZnO heterojunction demonstrated superior HER activity, requiring a low overpotential of 525.31 mV to achieve a current density of 20 mA cm⁻² in alkaline medium. This enhanced performance is attributed to the synergistic interaction between CoWO₄ and ZnO, resulting in a large number of exposed heterointerfaces that serve as highly abundant active sites. The heterojunction also exhibited rapid charge transfer and a high electrochemical active surface area (ECSA: 9.5 cm²), along with a roughness factor of 38. These characteristics reflect a strong correlation between interfacial engineering and electrocatalytic performance. Furthermore, the CoWO₄/ZnO heterojunction exhibited a significantly higher photocurrent density compared to the individual ZnO and CoWO₄ components, indicating that heterojunction formation enhances the separation efficiency of photogenerated electron–hole pairs in HER. In addition, the band gap energy of the heterojunction was reduced, thereby improving the material’s ability to absorb visible light. These outstanding features, achieved through heterojunction engineering, position the CoWO₄/ZnO electrocatalyst as a highly effective and promising candidate for future applications in photo-electrocatalytic hydrogen production. ============================================================================================== Les nanostructures à hétérojonction basées sur des électrodes d’oxydes de métaux de transition ont suscité un vif intérêt en tant qu’électrocatalyseurs pour la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER). Dans ce travail, une hétérojonction nanostructurée de CoWO₄/ZnO a été développée en tant qu’électrocatalyseur pour la HER. Les composants individuels ont été synthétisés par la méthode de co-précipitation, puis intégrés dans une hétérostructure à l’aide de la technique de broyage à billes. Comparée aux matériaux CoWO₄ et ZnO purs, l’hétérojonction CoWO₄/ZnO a montré une activité HER supérieure, nécessitant une faible surtension de 525,31 mV pour atteindre une densité de courant de 20 mA•cm⁻² en milieu alcalin. Cette performance améliorée est attribuée à l’interaction interfaciale entre CoWO₄ et ZnO, produisant un grand nombre d’hétérointerfaces exposées servant de sites actifs abondants. L’hétérojonction a également présenté un transfert de charge rapide et une grande surface électrochimiquement active (ECSA : 9.5 cm²), avec un facteur de rugosité de 38. Ces caractéristiques reflètent une forte corrélation entre l’ingénierie des interfaces et la performance électrocatalytique. En outre, l’hétérojonction CoWO₄/ZnO a affiché une densité de photocourant nettement plus élevée que celle des composants ZnO et CoWO₄ seuls, ce qui indique que la formation d’hétérojonction améliore l’efficacité de séparation des paires électron-trou photo-générées dans la HER. De plus, l’énergie de bande interdite de l’hétérojonction a été réduite, ce qui améliore la capacité du matériau à absorber la lumière visible. Ces caractéristiques remarquables, obtenues grâce à l’ingénierie des hétérojonctions, positionnent l’électrocatalyseur CoWO₄/ZnO comme un candidat très efficace et prometteur pour de futures applications dans la production d’hydrogène par photo-électrocatalyse.