Co 0.6Fe 2.4O4納米塊的自組裝示意圖; 利用單層納米塊的吸附和Fe/Fe(III), Co(II)/Co(III)迴圈實現對As(III)的檢測機制
中國科學院合肥物質科學研究院合肥智能機械研究所黃行九研究團隊利用表面具有大量缺陷的Co 0.6Fe 2.4O4塊狀納米材料實現了對As(III)高靈敏的電化學檢測, 並對其表面缺陷增強的電化學行為的機制進行了詳細研究.
納米材料的電化學行為很大程度上依賴於其本徵的物理化學性質, 而有效地調控納米材料表面的結構和電子狀態, 對於實現好的電化學檢測行為具有重要意義. 在納米材料表面大量引入缺陷被認為是一種增強納米材料性能的有效方法, 這些表面缺陷通常可以作為活性位點來促進納米材料的吸附和催化效果. 但目前針對錶面缺陷對電化學檢測行為影響的研究較少, 增強機制尚不清晰, 而且納米材料易於團聚的特性會讓表面缺陷活性位點發生嚴重掩蔽, 從而導致納米材料檢測性能的降低, 也給表面缺陷的增強機制研究帶來了大量挑戰.
在課題組前期的工作中, 研究人員通過在TiO 2表面摻雜氧空穴來調控二氧化鈦單晶納米片(001)晶面的表面電子結構, 利用氧空穴協同的電化學催化行為提高納米材料對重金屬離子的電化學檢測活性. 在此工作的基礎上, 研究人員合成了具有大量表面缺陷的Co 0.6Fe 2.4O4納米塊(~14nm). 為了使表面缺陷得到最大化暴露, 又通過自組裝的方法將納米塊單層分散在電極上, 構築成敏感界面用於實現對As(III)的高靈敏檢測. 通過XPS技術發現, 納米塊表面大量存在的缺陷作為吸附活性位點, 可以有效地增強納米塊對As(III)的吸附能力, 從而提高As(III)在電極上富集量, 增加電化學響應訊號. 此外, 缺陷的存在可以很好地增加納米塊表面的Fe(II)和Co(II)活性, 使其以活性電子傳遞介質的中間體參與到As(III)的氧化還原反應中, 有效提高了氧化還原的速率. Fe(II)/(III)和Co(II)/(III)的迴圈調節對檢測的促進效果, 可以通過 '在檢測過程中外加Fe(II)和Co(II)後, As(III)電流增加' 得到驗證. 研究結果表明, 納米塊優異的電化學行為要歸因於表面缺陷增強的吸附和氧化還原迴圈調節機制. 該研究利用納米材料大面積的表面缺陷來提升電化學性能的方法對構築一個具有獨特的敏感界面, 實現重金屬離子的分析檢測具有指導意義.
相關研究成果發表在於Analytical Chemistry雜誌上. 該研究得到了國家自然科學基金, 中科院創新交叉團隊, 合肥研究院院長基金等項目的資助.
