Plasmonic Solar Water Splitting Performance of Ti3C2T x /TiO2 Photoelectrode

doi:10.7503/cjcu20250347

Abstract

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

CLC Number:

O643

TrendMD:

CHEN Mengjia, SANG Lixia, LI Yangyang. Plasmonic Solar Water Splitting Performance of Ti₃C₂T _x /TiO₂ Photoelectrode[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(6): 20250347.

Figures/Tables 12

References 61

[1]	Zhao W.， Jin B.， Wang L.， Ding C.， Jiang M.， Chen T.， Bi S.， Liu S.， Zhao Q.， Chin. Chem. Lett.， 2022， 33（1）， 557—561
[2]	Su T.， Shao Q.， Qin Z.， Guo Z.， Wu Z.， ACS Catal.， 2018， 8（3）， 2253—2276
[3]	Khatun N.， Roy S. C.， Mater. Today： Proc.， 2022， 62， 4515—4518
[4]	Sun W.， Wang Y.， Xiang K.， Bai S.， Wang H.， Zou J.， Arramel， Jiang J.， Acta Phys. Chim. Sin.， 2024， 40（8）， 2308015
[5]	Fujishima A.， Honda K.， Nature， 1972， 238（5358）， 37—38
[6]	Kumaravel V.， Mathew S.， Bartlett J.， Pillai S. C.， Appl. Catal. B： Environ.， 2019， 244， 1021—1064
[7]	Khatun N.， Dey S.， Behera G. C.， Roy S. C.， Mater. Chem. Phys.， 2022， 278， 125651
[8]	Zhang S.， Li X.， Xie R.， Zhang X.， Wang H.， Song Y.， Zou H.， Inorg. Chem. Front.， 2025， 12（5）， 1979—1993
[9]	Hernández⁃Ramírez E.， Wang J. A.， Chen L. F.， Valenzuela M. A.， Dalai A. K.， Appl. Surf. Sci.， 2017， 399， 77—85
[10]	Hu Y. T.， Sang L. X.， Du C. X.， Chem. J. Chinese Universities， 2025， 46（5）， 20240569
	胡煜腾，桑丽霞，杜春旭. 高等学校化学学报， 2025， 46（5）， 20240569
[11]	Estrada⁃Vázquez R.， Vaca⁃Mier M.， Bustos⁃Terrones V.， Rangel⁃Peraza J. G.， Loaiza J. G.， Bustos⁃Terrones Y. A.， Reaction Kinetics， Mech. Catal.， 2024， 137（2）， 1085—1104
[12]	Guo D.， Pan Q.， Vietor T.， Lu W.， Gao Y.， J. Energy Chem.， 2023， 87， 518—539
[13]	Huang D. P.， Yu H. H.， Zhang H. J.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（2）， 397—411
	黄大朋，于浩海，张怀金. 高等学校化学学报， 2021， 42（2）， 397—411
[14]	Zhang J.， Kong N.， Uzun S.， Levitt A.， Seyedin S.， Lynch P. A.， Qin S.， Han M.， Yang W.， Liu J.， Wang X.， Gogotsi Y.， Razal J. M.， Adv. Mater.， 2020， 32（23）， 20011093
[15]	Ba K.， Wang J. L.， Han M. K.， J. Inorg. Mater.， 2024， 39（2）， 162—170
	巴坤，王建禄，韩美康. 无机材料学报， 2024， 39（2）， 162—170
[16]	Wu Z.， Shen J.， Li Z.， Liu S.， Zhou Y.， Feng K.， Zhang B.， Zhao S.， Xue D.， He J.， Yu K.， Zhang J.， Dawson G.， Zhang Q.， Huang L.， Li C.， An X.， Chi L.， Zhang X.， He L.， ACS Nano， 2025， 19（1）， 1832—1844
[17]	Dillon A. D.， Ghidiu M. J.， Krick A. L.， Griggs J.， May S. J.， Gogotsi Y.， Barsoum M. W.， Fafarman A. T.， Adv. Funct. Mater.， 2016， 26（23）， 4162—4168
[18]	Luther J. M.， Jain P. K.， Ewers T.， Alivisatos P. A.， Materials N.， Nat. Mater.， 2011， 10（5）， 361—366
[19]	Yue F.， Meng Y.， Zhang S.， Li C.， Shi M.， Qian X.， Wang L.， Song Y.， Li J.， Ma Y.， Zhang H.， J. Colloid Interface Sci.， 2025， 677， 758—770
[20]	Li M.， Zhang K.， Wang P.， Zhou Z.， Li F.， Zhan S.， Li Y.， Appl. Catal. B： Environ.， 2024， 343， 123483
[21]	Lyu C.， Wu Y.， Wang Y.， Liu R.， Qu H.， Wu X.， Chem. Eng. J.， 2025， 515， 163581
[22]	Zhang B.， Yi H.， Chen B. Y.， Liu H. Y.， Li X. L.， Zhu J. F.， Yin S.， Shi P.， J. Chin. Ceram. Soc.， 2025， 53（3）， 415—426
	张彪，益恒，陈毕谣，刘泓宇，李学林，朱建峰，殷澍，施佩. 硅酸盐学报， 2025， 53（3）， 415—426
[23]	Zhou F.， Yuan X.， Xiong X.， Wang L.， Han K.， J. Cent. South Univ.， 2024， 31（12）， 4397—4410
[24]	Hu Z.， Liu H.， Kang N.， Lv K.， Li Q.， Appl. Surf. Sci.， 2023， 627， 157324
[25]	Yang Y.， Deng Z.， Xia G.， Lu Y.， Shi J.， Zheng Y.， Kuang J.， Cao W.， Colloids Surf. A， 2025， 706， 135767
[26]	Li Y.， Deng X.， Tian J.， Liang Z.， Cui H.， Appl. Mater. Today， 2018， 13， 217—227
[27]	Lou S.， Zhou Z.， Shen Y.， Zhan Z.， Wang J.， Liu S.， Zhang Y.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8（34）， 22287—22294
[28]	Tian Y.， Song Y.， Liu J.， Ji J.， Wang F.， Chem. Eng. J.， 2020， 398， 125554
[29]	Ghidiu M.， Lukatskaya M. R.， Zhao M. Q.， Gogotsi Y.， Barsoum M. W.， Nature， 2014， 516（7529）， 78—81
[30]	Alhabeb M.， Maleski K.， Anasori B.， Lelyukh P.， Clark L.， Sin S.， Gogotsi Y.， Chem. Mater.， 2017， 29（18）， 7633—7644
[31]	Zhou A.， Liu Y.， Li S.， Wang X.， Ying G.， Xia Q.， Zhang P.， J. Adv. Ceram.， 2021， 10（6）， 1194—1242
[32]	Nguyen T. K. A.， Anh N. T. N.， Nguyen M. D.， Nguyen V. T.， Doong R.， Sep. Purif. Technol.， 2023， 327， 124934
[33]	Zhang J.， Wang E.， Cui S.， Yang S.， Zou X.， Gong Y.， Nano Lett.， 2022， 22（3）， 1398—1405
[34]	Kou L.， Sadri R.， Auwal S.， Kaur M.， Lai N. S.， Roberts E. P. L.， Haniff M. A. S. M.， Othman M.， Dee C. F.， Ooi P. C.， ACS Appl. Electron. Mater.， 2024， 6（7）， 4948—4962
[35]	Wang H.， Zhang J.， Wu Y.， Huang H.， Li G.， Zhang X.， Wang Z.， Appl. Surf. Sci.， 2016， 384， 287—293
[36]	Pan W. W.， Li J. N.， Materials Reports， 2025， 39（Z2）， 25060060
	潘伟伟，李佳楠. 材料导报， 2025， 39（Z2）， 25060060
[37]	Li Y.， Yang W.， Wang C.， Li Z.， Lai J.， Wang L.， Huang L.， ACS Appl. Energy Mater.， 2019， 2（11）， 8229—8235
[38]	Cui X. L.， Chemistry， 2017， 80（12）， 1160—1170
	崔晓莉. 化学通报， 2017， 80（12）， 1160—1170
[39]	Zhang Z. Y.， Sang L. X.， Sun B.， Zhang X. M.， Ma C. F.， Acta Phys. Chim. Sin.， 2010， 26（11）， 2935—2940
	张知宇，桑丽霞，孙彪，张晓敏，马重芳. 物理化学学报， 2010， 26（11）， 2935—2940
[40]	Tu J.， Li J.， Pan Z.， Zhu X.， Ye D.， Yang Y.， Wang H.， An L.， Chen R.， Liao Q.， J. Power Sources， 2025， 628， 235883
[41]	Park J.， Lee T. H.， Kim C.， Lee S. A.， Choi M. J.， Kim H.， Yang J. W.， Lim J.， Jang H. W.， Appl. Catal. B： Environ.， 2021， 295， 120276
[42]	Chen X.， Li J.， Pan G.， Xu W.， Zhu J.， Zhou D.， Li D.， Chen C.， Lu G， Song H.， Sens. Actuators B： Chem.， 2019， 289， 131—137
[43]	John S.， Vadla S. S.， Roy S. C.， Electrochim. Acta， 2019， 319， 390—399
[44]	Heijne A. T.， Schaetzle O.， Gimenez S.， Fabregat⁃Santiago F.， Bisquert J.， Strik D. P. B. T. B.， Barrière F.， Buisman C. J. N.， Hamelers H. V. M.， Energy Environ. Sci.， 2011， 4（12）， 5035—5043
[45]	Hutter E.， Fendler J. H.， Adv. Mater.， 2004， 16（19）， 1685—1706
[46]	Sarina S.， Waclawik E. R.， Zhu H.， Green Chem.， 2013， 15（7）， 1814—1833
[47]	Mo F.， Zhou Q.， He Y.， Sci. Total Environ.， 2022， 829， 154644
[48]	Xia Y.， Li W.， Cobley C. M.， Chen J.， Xia X.， Zhang Q.， Yang M.， Cho E. C.， Brown P.， Acc. Chem. Res.， 2011， 44（10）， 914—924
[49]	Robinson J. T.， Tabakman S. M.， Liang Y.， Hailiang W.， Casalongue H. S.， Vinh D.， Dai H.， J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133（17）， 6825—6831
[50]	Wang W.， Su H.， Wu Y.， Zhou T.， Li T.， J. Electrochem. Soc.， 2019， 166（6）， B505
[51]	Sarycheva A.， Makaryan T.， Maleski K.， Satheeshkumar E.， Melikyan A.， Minassian H.， Yoshimura M.， Gogotsi Y.， J. Phys. Chem. C， 2017， 121（36）， 19983—19988
[52]	Dong Y.， Chertopalov S.， Maleski K.， Anasori B.， Hu L.， Bhattacharya S.， Rao A. M.， Gogotsi Y.， Mochalin V. N.， Podila R.， Adv. Mater.， 2018， 30（10）， 1705714
[53]	Chaudhuri K.， Alhabeb M.， Wang Z.， Shalaev V. M.， Gogotsi Y.， Boltasseva A.， ACS Photonics， 2018， 5（3）， 1115—1122
[54]	Debow S.， Zhang T.， Liu X.， Song F.， Qian Y.， Han J.， Maleski K.， Zander Z. B.， Creasy W. R.， Kuhn D. L.， Gogotsi Y.， Delacy B. G.， Rao Y.， J. Phys. Chem. C， 2021， 125（19）， 10473—10482
[55]	Cao A.， Sang L.， Yu Z.， Zhao Y.， Wang X.， Wang C.， Ma M.， Catal. Sci. Technol.， 2022， 12（6）， 1859—1868
[56]	Zhao Y.， Thermoplasmonics Effect of Au Nanoparticles and Its Mechanism in Solar⁃Hydrogen Conversion， Beijing University of Technology， Beijing， 2024
	赵越. 金纳米粒子的热等离激元效应及在光氢转换中的作用机制，北京：北京工业大学， 2024
[57]	Zhang X.， Shao J.， Yan C.， Wang X.， Wang Y.， Lu Z.， Qin R.， Huang X.， Tian J.， Zeng L.， Mater. Des.， 2021， 207， 109850
[58]	Zhu Z.， Zou Y.， Hu W.， Li Y.， Gu Y.， Cao B.， Guo N.， Wang L.， Song J.， Zhang S.， Gu H.， Zeng H.， Adv. Funct. Mater.， 2016， 26（11）， 1793—1802
[59]	Li D.， Li Y.， Liao D.， Cao M.， Zhang L.， Zhang S.， Chen L.， Chen Y.， Wang H.， Qi J.， You F.， Prog. Nat. Sci.， 2024， 34（4）， 767—775
[60]	Zhou S.， Jiang L.， Wang H.， Yang J.， Yuan X.， Wang H.， Liang J.， Li X.， Li H.， Bu Y.， Adv. Funct. Mater.， 2023， 33（41）， 2307702
[61]	Ta Q. T. H.， Sreedhar A.， Tri N. N.， Noh J.， Ceram. Int.， 2024， 50（15）， 27227—27236

Plasmonic Solar Water Splitting Performance of Ti₃C₂T _x /TiO₂ Photoelectrode

RichHTML

PDF (PC)

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 12

References 61

Related Articles 9

Recommended Articles

Metrics

Comments

[1]	REN Shufang, GUO Tong, WANG Zihan, LIU Yahui, CHEN Yu, ZENG Junling. Construction of Molecular Imprinted Electrochemical Sensor Based on 2D Ti₃C₂T _x Nanosheet/Conductive Kochen Black Composite Polymethacrylic Acid and the Detection of Dopamine [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(7): 20250040.
[2]	LIU Jiaqi, LI Tianbao. Preparation and Photoelectrochemical Performance of BiVO₄/CuBi₂O₄ Thin Film Photoanodes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(4): 20220017.
[3]	CHEN Wangsong, LUO Lan, LIU Yuguang, ZHOU Hua, KONG Xianggui, LI Zhenhua, DUAN Haohong. Recent Progress in Photoelectrochemical H₂ Production Coupled with Biomass-derived Alcohol/aldehyde Oxidation [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(2): 20210683.
[4]	TANG Ding, ZHONG Shuiping. Preparation and Photoelectrochemical Performance of Bi_1-_xFe_xVO₄ Thin Film Photoanodes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2509.
[5]	WANG Yawen, LI Dong, LIANG Wenkai, SUN Yinghui, JIANG Lin. Multiplex Structures of Plasmonic Metal Nanoparticles and Their Applications [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(4): 1213.
[6]	TENG Xiaobo,ZHANG Chunxia,ZHANG Ying. Synthesis of the Supported Au Polystyrene/poly(acrylic acid) Composite Microspheres and Their pH Regulated Performance^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(8): 1509.
[7]	ZHANG Lingyue, CHI Yanan, SHAN Guiye, CHEN Yanwei, LIU Na. Preparation of GSH-Modified Au Nanorods and Their Interaction with Copper Ions^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(7): 1239.
[8]	LIU Guo-Hua, GU Xue-Hui, LI Hai-Long, GUO Wen-Bin, ZHANG Xin-Dong. Back Incident Au/TiO₂/Au Schottky Junction Ultraviolet Detector [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2013, 34(9): 2034.
[9]	WANG Ye¹, BU Feng-Quan², GU Yue-Jiao¹, XU Ping², NING Xiao-Hua¹, XU Shu-Ping¹, ZHAO Bing¹, XU Wei-Qing¹*. Preparation of Localized Surface Plasmon Resonance Sensing Film with Gold Colloid by Electrostatic Assembly [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2008, 29(8): 1539.