Ti3C2T x /TiO2光电极的等离激元分解水性能

doi:10.7503/cjcu20250347

摘要/Abstract

摘要：

通过旋涂法将具有高导电性与局域表面等离激元共振(LSPR)效应的Ti₃C₂T _x 纳米片与金红石型TiO₂纳米棒阵列复合, 构建了Ti₃C₂T _x /TiO₂肖特基结光电极. 通过X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等表征结果证实了Ti₃C₂T _x 的制备及其在TiO₂表面的均匀负载. 光电测试结果表明, 优化Ti₃C₂T _x 旋涂体积后的复合材料(MT-200)在AM 1.5G光照条件下的光电流密度达到1.21 mA/cm², 较纯TiO₂提升了51.9%. 性能提升归因于Ti₃C₂T _x 与TiO₂界面形成的肖特基结有效促进了光生电荷的分离. 同时, Ti₃C₂T _x 本身固有的LSPR特性为复合材料引入了等离激元激发性能, 其诱导产生的光热效应进一步加速了界面反应动力学与载流子传输.

关键词: Ti₃C₂T _x, 局域表面等离激元共振, 肖特基结, 光电化学分解水

Abstract:

Developing high-performance photoelectrodes is crucial for advancing solar energy conversion. This study aims to construct an efficient Schottky junction photoanode by integrating Ti₃C₂T _x MXene nanosheets with rutile TiO₂ nanorod arrays（NRs） to synergistically enhance charge separation and light harvesting. The Ti₃C₂T _x /TiO₂ composite was fabricated by spin-coating Ti₃C₂T _x nanosheets， known for their high conductivity and localized surface plasmon resonance（LSPR）， onto hydrothermally grown TiO₂ NRs. Material characterization techniques， including X-ray diffraction（XRD）， X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）， scanning electron microscopy（SEM）， and transmission electron microscopy（TEM）， confirmed the successful preparation of Ti₃C₂T _x and its uniform deposition on the TiO₂. Photoelectrochemical（PEC） tests revealed that the optimized composite（MT-200） achieved a significant photocurrent density of 1.21 mA/cm² under AM 1.5G illumination， which represents a 51.9% enhancement compared to pristine TiO₂. This performance improvement is attributed to two primary factors. First， the intimate interface between Ti₃C₂T _x and TiO₂ forms an effective Schottky junction， which significantly promotes the separation of photogenerated electron-hole pairs. Second， the intrinsic LSPR property of Ti₃C₂T _x endows the composite with plasmonic excitation capability. The associated photothermal effect locally elevates the temperature at the reaction interface， thereby further accelerating interfacial reaction kinetics and boosting charge carrier transport. This work demonstrates a promising strategy for enhanced PEC performance through the synergistic integration of Schottky junction and plasmonic effects in a Ti₃C₂T _x /TiO₂ heterostructure.

Key words: Ti₃C₂T _x, Localized surface plasmon resonance, Schottky junction, Photoelectrochemical water splitting

中图分类号:

O643

TrendMD:

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图/表 12

Fig.1 XRD patterns of Ti3AlC2 and Ti3C2T x (A), full⁃scan(B) and high⁃resolution XPS spectra of C1s (C), Ti2p (D), O1s (E) and F1s (F) of Ti3C2T x

Fig.2 TEM(A, B) and HRTEM(C) images of Ti3C2T x

Fig.3 Photographs showing the dispersion(A) and Tyndall effect(B) of Ti3C2T x

Fig.4 TEM image(A) and corresponding EDS mapping images of Ti(B), O(C), C(D) and F(E) of Ti3C2T x

Fig.5 Top(A) and cross⁃sectional(B) SEM images of the TiO2 nanorod arrays

Fig.6 XRD patterns of Ti3AlC2, Ti3C2T x and the Ti3C2T x /TiO2 composite

Fig.7 Transient photocurrent density of TiO2 and various TiO2⁃based composite photoelectrodes(A), stability of the MT⁃200 sample(B)Illumination of AM 1.5， 100 mW/cm2.

Fig.8 SEM images of MT⁃200(A) and MT⁃250(B)

Fig.9 Mott⁃Schottky plots(A) and EIS curves(B) of TiO2 and MT⁃200Illumination of AM 1.5, 100 mW/cm2. The inset in (B) shows the equivalent circuit used for fitting the EIS data.

Fig.10 LSV curves of TiO2(A) and MT⁃200(B), applied bias photocurrent efficiency curves(C) of TiO2 and MT⁃200

Fig.11 UV⁃Vis absorption spectra(A) and Tauc plots(B) of TiO2 and various TiO2⁃based composite photoelectrodes

Fig.12 Vis⁃NIR absorption spectrum of Ti3C2T x (A), photothermal heating curves(B) and infrared thermal images(C) of different TiO2⁃based composite photoelectrodes under 300 W xenon lamp illumination

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Ti₃C₂T _x /TiO₂光电极的等离激元分解水性能

Plasmonic Solar Water Splitting Performance of Ti₃C₂T _x /TiO₂ Photoelectrode

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