【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所研究員黃行九團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授曾杰合作，利用分散在氮摻雜的多孔碳上的Co單原子催化劑(Co SAC)實(shí)現(xiàn)了對As(III) 超高靈敏和選擇性電化學(xué)檢測。同時(shí)結(jié)合同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)技術(shù)、密度泛函理論計(jì)算(DFT)和動力學(xué)模擬計(jì)算等手段，從電催化的角度詳細(xì)探究了Co SAC和H3AsO3在電化學(xué)分析過程中的相互作用方式和工作機(jī)制。
 

　　電催化是使電極、電解質(zhì)界面上的電荷轉(zhuǎn)移加速反應(yīng)的一種催化作用。電極催化劑的范圍于金屬和半導(dǎo)體等的電性材料。電催化研究較多的有骨架鎳、硼化鎳、碳化鎢、鈉鎢青銅、尖晶石型與鎢態(tài)礦型的半導(dǎo)體氧化物，以及各種金屬化物及酞菁一類的催化劑。主要應(yīng)用于有機(jī)污水的電催化處理；含鉻廢水的電催化降解；煙道氣及原料煤的電解脫硫；電催化同時(shí)脫除NOx和S02；二氧化碳和氮?dú)獾碾娊膺€原。
 

　　近年來，各種納米材料如貴金屬、合金、碳材料、金屬氧化物及其復(fù)合物已廣泛應(yīng)用于As(III)的電化學(xué)分析中。然而，大多數(shù)研究主要依靠經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)，僅僅關(guān)注檢測的靈敏度、檢測限、選擇性等電化學(xué)現(xiàn)象，而忽略了相應(yīng)的檢測機(jī)制，因此，想要真正實(shí)現(xiàn)水中As(III)的高靈敏度和選擇性檢測仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。實(shí)際上，電化學(xué)檢測的本質(zhì)是傳感界面處的電催化反應(yīng)過程，該反應(yīng)會影響As(III)的富集/還原和相應(yīng)的溶出/氧化信號，但目前仍缺少從電催化角度的科學(xué)認(rèn)識。因此探究傳感界面與目標(biāo)分析物之間的相互作用，并闡明相應(yīng)的電催化機(jī)理，對于開發(fā)有效的功能傳感界面以實(shí)現(xiàn)As(III)的高靈敏度和選擇性檢測至關(guān)重要。
 

　　電催化作用覆蓋著電極反應(yīng)和催化作用兩個(gè)方面，因此電催化劑必需同時(shí)具有這兩種功能：①能導(dǎo)電和比較自由地傳遞電子；②能對底物進(jìn)行有效的催化活化作用。能導(dǎo)電的材料并不都具有對底物的活化作用，反之亦然。因此，設(shè)計(jì)電催化劑的可行辦法是修飾電極。將活性組分以某種共價(jià)鍵或化學(xué)吸附的形式結(jié)合在能導(dǎo)電的基底電極上，可達(dá)到既能傳遞電子，又能活化底物的雙重目的。當(dāng)然，除了考慮電極的宏觀傳質(zhì)因素外，還有一個(gè)修飾分子和基底電極的相互作用問題，這種相互作用有待進(jìn)一步研究。
 

　　基于以上問題，研究人員首先成功地合成了Co SAC催化劑并將其用于As(III)的電化學(xué)檢測，可實(shí)現(xiàn)11.44 μA ppb-1的超高靈敏度和對As(III)出色的選擇性。該靈敏度在目前報(bào)道的非貴金屬催化劑中是高的，甚至優(yōu)于大多數(shù)貴金屬納米材料。結(jié)合XAFS和DFT計(jì)算結(jié)果，研究人員發(fā)現(xiàn)反應(yīng)過程中H3AsO3分子被Co-N2C2活性位點(diǎn)催化活化并形成Co-O雜化鍵，從而導(dǎo)致H3AsO3還原過程中As-O解離步驟的能壘降低。此外，反應(yīng)動力學(xué)模擬計(jì)算表明，第一電子轉(zhuǎn)移過程是整個(gè)H3AsO3還原的限速步驟，其在Co SAC上比在Co 納米顆粒材料(Co NPs)上快得多，從而促進(jìn)As(0)的快速大量沉積，大大增強(qiáng)了As(III)的電化學(xué)響應(yīng)信號。對于As(III)的選擇性也歸因于Co-O雜化鍵的形成，因?yàn)镃o SAC與不含氧陰離子的普通二價(jià)重金屬離子之間沒有特定的相互作用位點(diǎn)。
 

　　重金屬原義是指密度大于4.5g/cm3的金屬，包括金、銀、銅、鐵、汞、鉛、鎘等，重金屬在人體中累積達(dá)到一定程度，會造成慢性中毒。但就環(huán)境污染方面所說的重金屬主要是指汞(水銀)、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重元素。重金屬非常難以被生物降解，相反卻能在食物鏈的生物放大作用下，成千百倍地富集，后進(jìn)入人體。重金屬在人體內(nèi)能和蛋白質(zhì)及酶等發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，使它們失去活性，也可能在人體的某些器官中累積，造成慢性中毒。
 

　　這項(xiàng)工作利用單原子催化劑構(gòu)筑傳感界面用于重金屬離子的電化學(xué)分析，拓展了單原子催化劑在電分析領(lǐng)域的應(yīng)用。通過先進(jìn)的XAFS表征，DFT計(jì)算和動力學(xué)數(shù)值模擬，可以有效地將原子、電子結(jié)構(gòu)與宏觀電化學(xué)現(xiàn)象聯(lián)系起來，表明了傳感材料的電催化能力在對分析物的靈敏和選擇性檢測中起著至關(guān)重要的作用。對Co SAC工作機(jī)理的研究為設(shè)計(jì)環(huán)境應(yīng)用中的功能傳感界面提供了原子級的催化見解和重要的理論指導(dǎo)。同時(shí)，也為催化處理和去除水環(huán)境中的此類污染物提供了啟發(fā)。
 

　　資料來源：合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、百科