Charge Dynamics in TiO2/MXene Composites

MXenes公司 纳米颗粒 密度泛函理论 化学工程 复合材料 纳米技术
作者
Shaun Debow,Tong Zhang,Xu‐Sheng Liu,Fuzhan Song,Yuqin Qian,Jian Han,Kathleen Maleski,Zachary B. Zander,William R. Creasy,Danielle L. Kuhn,Yury G. Gogotsi,Brendan G. DeLacy,Yi Rao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:125 (19): 10473-10482 被引量:39
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c01543
摘要

Metal–semiconductor heterostructures are believed to improve hot-electron injection efficiency and influence the photocatalytic performance. Understanding the carrier dynamics at the heterostructure is essential for designing more efficient photocatalysts. Herein, we fabricated a Schottky heterostructure using two-dimensional (2D) titanium carbide MXene (Ti 3 C 2 T x, where T x stands for surface terminations, such as O or OH) and a TiO 2 semiconductor and examined the carrier dynamics at the heterostructure using time-resolved infrared techniques. MXene exhibits robust metallic properties in terms of photoconductivity comparable to those of high-quality 2D graphene materials. The photoexcitation of MXene greatly increases the scattering rate and leads to a decreased photoconductivity. When Ti 3 C 2 T x comes in close contact with the TiO 2 semiconductor, band bending leads to the formation of a Schottky barrier at the contact junction. In this plasmonic TiO 2 /Ti 3 C 2 T x heterostructure, hot electrons are excited only from MXene upon photon absorption at wavelengths far below the TiO 2 band gap. Under these conditions, the Ti 3 C 2 T x -generated plasmonic electrons are transferred into the conduction band of the TiO 2 semiconductor over the Schottky barrier with a fast time constant of 180 fs. The strong electronic coupling between oxygen-terminated Ti 3 C 2 T x and TiO 2 is due to their proximity, and the resulting interactions are likely responsible for the fast electron transfer in the composites. Our results demonstrate a potential of 2D MXene materials in plasmonic applications and provide new insights into the design of MXene-based photocatalysts.
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