铁氮掺杂多孔碳修饰电极的制备及其电化学传感性能

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目前,环境污染物对生态环境平衡和人类健康带来的风险受到越来越多的关注。因此,探求高灵敏检测手段已经成为热点问题。在各种分析技术中,电化学传感法在检测化学品中具有其独特的优势,例如快速响应、设备简单、操作便捷、低成本和低定量限等。但电化学传感在提高检测效果上仍然存在发展空间。近期,使用改性电极材料已成为有效提高电分析效率的重要方式。在各种新型材料中,多孔碳基材料因其独特的化学/物理特性——高耐热性、耐腐蚀性、大的比表面积和超高的导电性,在电化学传感领域具备可期待的应用潜力。然而纯粹的多孔碳作为电极材料,在催化活性上存在一定的限制。因此利用铁元素和氮元素的掺杂来对多孔碳材料进行改善。但由于铁纳米颗粒(FeNPs)易于团聚,会直接影响材料的催化活性和稳定性,所以合理制备具有较高催化活性和稳定性的铁氮掺杂多孔碳复合材料仍然是一个巨大的挑战。因此从保证铁纳米颗粒的独立性出发,本文分别采用金属有机框架(MOF)衍生法和天然材料复合热解法对电极材料进行合成,从而对过氧化氢和硝基苯分别进行电化学发光和电化学检测。主要研究内容和结论如下:(1)通过水热法合成含铁、氮、碳三种元素的金属有机框架(MOF)NH2-MIL-101(Fe),而后经热解成功合成铁氮掺杂多孔碳纳米复合材料(Fe/N-C),将该材料应用于电极改性,以鲁米诺作为发光材料,从而实现对痕量过氧化氢(H2O2)的电化学发光(ECL)检测。在检测过程中,Fe/N-C纳米复合材料能够促进H2O2向超氧化物自由基的转化,进而加强了鲁米诺发光强度。该传感系统检测H2O2在浓度范围为1-300 nM呈极好的线性关系,检测限(LOD)达到0.93 nM(信噪比(S/N)=3),具有较好的选择性。通过实验结果可知,Fe/N-C纳米复合材料显著改善了电子传递过程,提高了ECL传感器对H2O2的催化活性。同时,该ECL传感方法实现了对实际水样和肾上皮293T细胞中H2O2的检测。该方法为铁氮掺杂多孔碳复合材料在H2O2的电化学发光传感领域的应用提供了一种新的途径。(2)利用天然存在的血红素(Hemin)作为铁氮掺杂碳结构的基础,以碳纳米管(CNTs)为载体,经高温碳化得到铁氮掺杂多孔碳复合材料(Fe-N-C)对电极进行修饰,并将其应用于硝基苯(NB)的电化学传感(EC)检测。将血红素负载于碳纳米管上可以避免由于活性位点的聚集导致的催化活性降低,同时提高了电极的导电性能。通过与玻碳电极做对比,发现Fe-N-C改性电极显著增强了电化学传感对硝基苯的检测灵敏度,检测水平可达到nM数量级。该EC传感手段为实际废水中硝基苯的电化学检测应用奠定了基础。
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