人类活动广泛影响地表水和地下水中重金属的含量,而微量的有毒重金属即会对环境和人类健康造成严重危害。因此,实现重金属离子的快速、痕量、高灵敏度、高选择性检测,对于正确评估环境污染意义重大,也是倍受关注的研究热点和难点问题。传统的重金属分析方法包括原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法等,虽然这些检测方法各有各自的优势,但是总体上存在难以进行现场检测、仪器价格昂贵、不便于携带、需要专业的实验操作人员以及运行成本高等缺点。而电化学分析法具有选择性较好、分析速度快、简便廉价以及易于实现自动化等特点,因此日益受到重视。本文主要从电极材料的结构调控和表面改性入手,以开发新型工作电极材料为基础构建性能优异的电化学传感平台,实现对重金属离子的快速、痕量、高灵敏度和高选择性检测。将多级孔碳和MXene作为载体用以支撑生成的高度均匀分散的金属铋微纳结构,分别制备了3D介孔-大孔型多级孔结构碳铋复合材料（Bi@BiOCl@C）、中空莲藕状微孔-介孔-大孔型多级孔结构碳铋复合材料（Bi@BAC）以及Bi纳米棒@薄层MXenes（Bi@d-Ti₃C₂）等多种复合材料。采用NaCl模板法、微波溶剂热法、碳热还原法以及化学原位还原法等多种方法,借助于调变载体、Bi负载量和负载方法,对这些复合材料的微观结构、形貌和化学组成进行科学合理的调控,建立了材料结构与重金属离子传感性能之间的构效关系。以MXene材料为基础,采用碱性离子插层方式进行表面化学改性,揭示了表面官能团对于传感性能的影响机理。此外,除了使用传统的工作电极之外（包括玻碳电极、碳糊电极等）,还采用机械雕刻技术自行设计了新型微网格电极。总之,本文的研究工作为实现快速、便捷、灵敏的重金属离子电化学检测提供了一定的理论依据和技术支持。本文的主要研究内容包括如下四个部分:（1）我们提出了一种便捷、成本低廉、环境友好以及可规模化生产的方法,用于合成Bi@BiOCl纳米颗粒负载在相互连通碳纳米片上形成碳铋复合材料,该材料呈现出3D介孔-大孔型多级孔结构。具体制备方法是,以NaCl为模板、柠檬酸为碳源,在氮气氛围下以700°C进行热解反应合成。其中,微米级别尺寸的NaCl晶体作为一个可回收的骨架,其表面可吸附前驱体,有助于合成亚微米-微米级别横向尺寸、纳米级别厚度的石墨碳纳米片,并且在原位纳米限域效应下得到纳米级别尺寸的铋基材料颗粒。研究表明前驱体中铋源含量直接影响铋基材料的成分、颗粒粒径大小以及碳基载体的石墨化程度和孔隙结构等。通过优化对比,测得Bi@BiOCl@C-3检测重金属离子性能最佳,在1⁶0 ppb Pb²⁺和Cd²⁺浓度范围内,获得线性关系良好的影响曲线,灵敏度分别是0.38和0.49μA ppb^-1,线性相关系数分别是0.996和0.998,其检测限分别为0.2和0.4 ppb,均低于WHO规定值。Bi@BiOCl@C-3修饰电极能够在重金属离子电化学检测中表现出优异的性能,这主要是由于碳纳米片良好的导电性能、介孔-大孔型的多级孔结构、高度分散的Bi@BiOCl纳米颗粒具备丰富的活性位点以及材料整体结构稳定性高。（2）启迪于自然的分级多孔材料设计理念,首次以废弃法国梧桐种子为前驱体,通过预碳化和KOH活化法成功制备出中空莲藕状多级孔碳材料,然后通过微波溶剂热法在生物质活化碳内壁和外壁均匀生长片层状的Bi₂O₃,最后使用热解法将片层状的Bi₂O₃还原成高密度分散负载在碳基体内外的颗粒状单质Bi（Bi@BAC）。采用XRD、XPS、Raman、SEM、FTIR和氮气吸附脱附测试等手段表征Bi@BAC的物化性能,结果显示该复合材料呈现3D层次化微孔-介孔-大孔型多级孔结构。由于Bi@BAC具备优异的电子传递速率、大的比表面积、丰富的传质通道以及分散均匀的活性位点等特性,Bi@BAC修饰碳糊电极在电化学检测痕量Pb²⁺和Cd²⁺时能得到快速、高灵敏的响应效果。在优化条件下,Bi@BAC修饰碳糊电极同时电化学检测Pb²⁺和Cd²⁺,线性浓度范围为0.5⁵0 ppb,在此范围下测定灵敏度分别为0.72和1.17μA ppb^-1,检测限分别为0.13和0.08 ppb。此外,Bi@BAC修饰碳糊电极还成功应用于检测湖水和自来水中的Pb²⁺和Cd²⁺。（3）通过HF溶液刻蚀以及KOH插层得到具有独特结构和表面化学特性的层状alk-Ti₃C₂,探究了表面改性对于重金属离子电化学检测性能的影响。相较于Ti₃C₂,alk-Ti₃C₂修饰GCE能够明显提高检测共存Pb²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺和Hg²⁺时的电化学溶出检测效果。更重要的是,无论是单独检测还是同时检测Pb²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺和Hg²⁺,alk-Ti₃C₂修饰GCE均显示优异的电化学检测性能。在优化检测条件下,其灵敏度检测结果要优于大部分目前已报道的研究结果,呈现出良好的线性关系,检测限分别为0.098、0.041、0.032和0.130μM。此外,各种重金属离子对应的溶出峰能够较好分离,互相干扰程度低。同时我们还分析研究alk-Ti₃C₂修饰电极检测重金属离子性能差异的原因,发现这可能是由于其表面官能团与不同重金属离子之间结合力强度不同所导致,因此Pb²⁺在同时检测时会优先于Cd²⁺、Cu²⁺和Hg²⁺沉积在电极的活性表面上。另外,Cd²⁺沉积在电极表面上可以形成一层Cd薄膜,能促进Hg²⁺的电化学溶出检测效果。（4）利用HF刻蚀和超声液相剥离技术制备出二维Ti₃C₂纳米片（d-Ti₃C₂）,通过原位还原将单质Bi生长在Ti₃C₂纳米片基面上形成Bi@d-Ti₃C₂复合材料,然后以Bi@d-Ti₃C₂为修饰材料,采用机械雕刻技术构建微网格状电极,建立新型重金属电化学传感平台。采用XRD、XPS和TEM等分析手段,表征了Bi@d-Ti₃C₂的形貌结构和物化性质,其中Ti₃C₂是以薄层形式存在,Bi单质以纳米棒形式存在。d-Ti₃C₂可以加速传质和电子传递,Bi纳米棒则由于其与重金属形成合金的能力能够提供丰富的活性位点,且可以抑制Ti₃C₂纳米片的团聚。优化了多种电化学检测参数,在最佳检测条件下,Bi@d-Ti₃C₂修饰微网格状电极电化学可以同时检测Pb²⁺、Cd²⁺和Zn²⁺并呈现出良好的线性关系,检测灵敏度分别为0.98、0.84和0.60μA ppb^-1,检测限分别为0.2、0.4和0.7 ppb。此外,Bi@d-Ti₃C₂修饰微网格状电极具有优异的抗干扰性、稳定性和重复性,并成功应用于实际水样的检测,具有潜在的环境分析应用前景。