我所揭示MXene／分子界面超快熱電子弛豫動力學過程

近日，我所化學動力學研究中心分子光化學動力學研究組袁開軍研究員團隊與北京航空航天大學李介博副教授等合作，利用飛秒時間分辨光譜，實現了MXene/分子復合體系界面熱電子和分子的超快動力學實時觀測。實驗揭示了MXene表面熱電子直接轉移以及熱電子散射的超快過程，加深了對二維材料超短時間尺度動力學的理解。

光驅動的等離激元誘導化學反應是調控納米材料化學性質的重要手段。從超快時間尺度上理解能量如何從金屬傳遞到附著在界面上的分子（電子轉移和熱傳遞），對于調控反應速率和反應選擇性具有重要意義。當光激發金屬時，電子能量超過其費米能級，會產生高能電子（非熱化的熱電子，non-thermalized hot electron）。這些熱電子在百飛秒時間內的電子-電子散射過程中持續存在，最終達到電子熱化狀態并遵循費米-狄拉克分布。在金屬/分子復合體系中，分子可以作為受體，接受熱電子或熱晶格能量。

本工作中，團隊利用飛秒時間分辨光譜研究了二維過渡金屬碳化物（MXene）與一系列染料分子復合體系，揭示了兩種不同的熱電子動力學過程。實驗表明，在MXene/亞甲基藍分子體系，熱電子不經歷電子散射，直接從MXene轉移到附著的亞甲基藍分子；在MXene/羅丹明分子體系，熱電子主要通過界面電子散射，散射失去的熱能在約125飛秒內轉移給羅丹明分子。改變激發波長以及表面分子可以調控以上兩種熱電子弛豫通道。該研究為理解納米尺度界面的復雜能量傳輸過程提供了重要的實驗證據，有望為設計更高效的能量轉換和光催化反應系統提供指導。

相關成果以“Real-time observation of two distinctive non-thermalized hot electron dynamics at MXene/molecule interfaces”為題，于近日發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。該工作的第一作者是我所1117組博士后張琦。該工作得到國家自然科學基金委、國家自然科學基金委基礎科學中心、中國科學院關鍵技術研發團隊等項目的資助。（文/圖 張琦）

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48842-9