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Engineering Direct S-Scheme Heterojunctions with Ultrafast Interfacial Charge Transfer: A Case Study on 2-Dimensional α-Fe2O3/Cu2O Interfaces

材料科学 异质结 光电子学 超短脉冲 介电谱 X射线光电子能谱 皮秒 光谱学 超快激光光谱学 纳米技术 太阳能 漫反射红外傅里叶变换 纳米片 复合数 载流子 光催化 多物理 波长 共价键
作者
Jake Heinlein,Yulian He,Yuqi Song,Tianshuo Zhao,Yingjie Feng,Rito Yanagi,Yamuna Paudel,Matthew Y. Sfeir,Conrad A. Kocoj,Peijun Guo,Shu Hu,Lisa D. Pfefferle
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (41): 57611-57620 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsami.5c12210
摘要

Longer wavelengths of light contain less energy but comprise more of the solar spectrum, making them important to incorporate into any process aiming for high efficiency. Here, we developed a novel redox-mediated synthetic mechanism to construct a heterojunction with strongly coupled interfaces. Specifically, an α-Fe2O3/Cu2O/CuO nanosheet composite was synthesized, forming an S-scheme α-Fe2O3/Cu2O electronic interface, a burgeoning class of materials designed to upconvert longer wavelengths of light and utilize solar energy more effectively. Through a series of experiments including X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ultraviolet-visible (UV-Vis) diffuse reflectance spectroscopy (UV-Vis-DRS), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and photocatalytic measurements, we were able to fully confirm the electronic structure of the α-Fe2O3/Cu2O interfacial heterojunction. These characterizations demonstrate the S-scheme flow of electrons, which is further supported by COMSOL numerical simulations. The successful formation of the S-scheme heterojunction is made possible through the direct Fe-O-Cu covalent bonding at the interface. These bonds provide ultrafast interfacial charge transfer pathways on picosecond time scales followed by long-lived charge-separated states, as quantified by our transient optical experiments. The proposed redox-mediated synthetic strategy provides a valuable guideline for constructing effective solid heterojunctions with strongly coupled interfaces, which are desirable for various applications in catalysis, energy storage, electronics, photovoltaics, and beyond.
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