The conversion of solar energy into hydrogen via water splitting process is one of the key sustainable technologies for future clean, storable and renewable source of energy. Therefore, development of stable and efficient photocatalyst material has been of immense interest, but with limited success. Here, we show that overall neutral water splitting can be achieved under ultraviolet (UV) and visible light irradiation using group-III nitride nanowire arrays grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. The Rhodium/Chromium-oxide core/shell nanoparticle decorated GaN nanowires show stable photocatalytic activity under UV irradiation, with the turnover number well exceeding any previously reported GaN particulate samples. Additionally, by tuning the surface Fermi-level with controlled Mg doping in GaN nanowires, we demonstrate that the internal quantum efficiency can be enhanced by nearly two orders of magnitude under UV irradiation. Furthermore, in order to utilize the abundant visible solar spectrum, we have designed a multi-band InGaN/GaN nanowire heterostructure, that can lead to stable hydrogen production from neutral (pH~7.0) water splitting under UV, blue and green light irradiation (up to ~ 560 nm), the longest wavelength ever reported. At ~440-450 nm wavelengths, the internal quantum efficiency is estimated to be ~ 13%. Moreover, we have designed a dual-band p-type InGaN/GaN nanowire heterostructure, wherein Mg doping is optimized both in GaN and InGaN nanowires to achieve stable and efficient overall water splitting under UV and visible light. An internal quantum efficiency of ~69% has been achieved for neutral (pH~7.0) water splitting, the highest value ever reported under visible light illumination (400-475 nm). Subsequently, we have demonstrated that the optical absorption edge of GaN nanowires can be reduced from 3.4 eV to 2.95 eV by introducing Mg-related acceptor and nitrogen vacancy related donor energy states. This band-engineered GaN nanowires exhibit stable overall water splitting under violet light (up to 450 nm). The internal quantum efficiency of Mg doped GaN nanowire reached ~43% at 375-450 nm. Detailed analysis further confirms the stable photocatalytic activity of the III-nanowire heterostructures. Finally, we have presented the first example of dye-sensitized InGaN nanowires for Hydrogen generation under green, yellow and orange solar spectrum (up to 610 nm). This work establishes the use of metal-nitrides as viable photocatalyst for solar-powered artificial photosynthesis for future large-scale hydrogen and methanol based economy.

La conversion de l’énergie solaire en hydrogène par le procédé de décomposition de l’eau est l’une des technologies clés durable pour une future source d’énergie propre stockable et renouvelable. Par conséquent, le développement de matériel photocatalyseur stable et efficace a été d'un immense intérêt, mais avec un succès limité. Ici, nous montrons que toute séparation globale de l’eau neutre peut être réalisée sous irradiation ultraviolet (UV) et par lumière visible en utilisant des matrices de nanofils de nitrite de groupe-III cultivés par épitaxie par faisceau moléculaire assistée par plasma. Les nanoparticules cœurs/coquille Rhodium/Chromium-oxide cultivé par des nanofils de GaN montrent une activité photocatalytique stable sous irradiation UV avec un rendement catalytique (turnover number) bien supérieur à ceux qui ont déjà été rapportés avec des échantillons de particules de GaN. De plus, en réglant le niveau de Fermi-surface avec contrôle de dopage Mg dans les nanofils de GaN, nous démontrons que l’efficacité quantique interne peut être améliorée par près de deux ordres de grandeur sous irradiation UV. En outre, afin d'utiliser le spectre solaire visible abondant, nous avons conçu un nanofil hétéro-structures multi-bande InGaN/GaN, qui peut conduire à la production d'hydrogène stable à partir de la décomposition de l'eau neutre (pH ~ 7.0) sous irradiation UV, de lumière bleue et verte (jusqu'à ~ 560 nm), la plus longue longueur d'onde jamais enregistré. À des longueurs d'onde ~ 440-450 nm, l'efficacité quantique interne est estimé à ~13%. Par ailleurs, nous avons conçu une hétéro-structures de nanofil bi-bande de type p InGaN/GaN dans lequel le dopage en Mg est optimisé à la fois dans le GaN et dans le InGaN pour permettre la décomposition globale efficace et stable de l'eau sous UV et à la lumière visible. Un rendement quantique interne de ~ 69% a été atteint pour la décomposition de l'eau neutre (pH ~ 7.0), la valeur la plus élevée jamais enregistrée sous éclairage en lumière visible (400-475 nm). Finalement, nous avons démontré que la largeur de bande interdite des nanofils en GaN peut être réduite de 3.4 eV à 2.95 eV en introduisant des accepteurs à base de Magnésium et des donneurs d’azote à états d’énergie vacants. Cette ingénierie de bande des nanofils en GaN montre une décomposition globale stable de l'eau sous la lumière ultraviolette (jusqu'à 450 nm). L'efficacité quantique interne des nanofils de GaN dopé au Mg a atteint 43 % à 375-450 nm. L'analyse détaillée confirme par la suite l'activité photocatalytique stable des hétéro-structures III des nanofils. Enfin, nous avons présenté le premier exemple de colorant-sensibilisés InGaN nanofils pour d’hydrogène génération en vert, jaune et orange du spectre solaire (jusqu'à 610 nm). Ce travail prouve l'utilisation de nitrures métalliques comme photocatalyseur viable pour la photosynthèse artificielle à l'énergie solaire pour une future économie basée sur la production à grande échelle d’hydrogène et de méthanol.