中国地质大学（北京）薛强课题组CEJ: 锡和铈双金属纳米颗粒修饰的激光诱导石墨烯电极高效检测水中的Cd(II) 离子

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由于镉（Cd）的高毒性，近年来水环境中Cd污染得到越来越多的关注。快速识别水中的 Cd(II) 离子水平对环境安全和人类健康至关重要。利用传感器快速、原位检测水中的Cd(II) 离子，对于及时预警Cd污染与Cd污染精准修复具有重要的现实意义。电化学传感器具有成本低、响应快、操作简便等优点，适合原位监测。在各类电极材料中，石墨烯电极因其比表面积大、导电性好、易于修饰等优点，吸引着广大研究者的兴趣。尽管各种类型的金属（氧化物）纳米颗粒用于石墨烯电极改性材料已有不少报道，但多为单金属（氧化物）纳米颗粒修饰。如何基于目标物的特点，有针对性地设计双金属（氧化物）修饰来提升电极检测性能仍是难点。此外，双金属（氧化物）修饰改善电信号的机理仍不明晰。 针对上述问题，近日，中国地质大学（北京）薛强课题组在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表了题为“Highly efficient detection of Cd(II) ions by a stannum and cerium bimetal-modified laser-induced graphene electrode in water”的文章（DOI: 10.1016/j.cej.2021.133791）。
作者通过激光作用于高分子材料聚酰亚胺薄膜，得到成本低廉的激光诱导石墨烯 (LIG) 电极，然后在电极表面负载 SnO₂ 和 CeO₂ 双金属纳米颗粒（NPs）并与对氨基苯磺酸进行电聚合，成功制备出性能优异的新型SnO₂/ CeO₂/LIG 电极。由于 SnO₂ 和 CeO₂ NPs 的协同作用，修饰增强了自由电子在电极表面的转移，提高了电极灵敏度，加快了检测过程中的响应速度。聚氨基苯磺酸（p-ABSA）的使用进一步提高了电极的电导率。此外，作者通过密度泛函理论 (DFT) 计算进一步证实了改性电极的吸附能和电子转移特性得到显著增强。作者通过对 Sn/Ce 比、沉积时间、p-ABSA 聚合循环次数和溶液 pH 值等参数进行优化，确定了 Cd(II) 离子的最佳检测条件。在最佳条件下，传感器显示出较宽的线性浓度范围（0.1~160 μg/L）和低检测限（0.01 μg/L）。该传感器还成功应用于检测地下水和自来水中的 Cd(II) 离子。回收率范围为 94% 至 111%，相对标准偏差 (RSD) 小于 6.06%。该传感器具有良好的抗干扰能力、重现性和稳定性。本研究结果提供了一种很有前途的传感器技术，可用于在水环境中高效、快速地原位监测 Cd(II) 离子。 
图1 Sn/Ce双金属修饰激光诱导石墨烯电极的制备方法  
图2 LIG (A)、SnO₂/LIG (B)和SnO₂/CeO₂/LIG (C, D)电极表面的SEM图像；SnO₂/CeO₂/LIG电极上Sn(E) 和Ce(F)元素的EDS分布；(G, H,I）SnO₂/CeO₂/LIG电极的TEM图像
 
图3 SnO₂/CeO₂/LIG电极的Sn 3d(A)及Ce 3d(B) XPS光谱; 裸LIG电极(C)和SnO₂/CeO₂/LIG电极(D)的接触角分析比较  
图4 不同电极检测Cd(Ⅱ)的差分脉冲阳极溶出伏安法（DPASV）分析图(A)、电化学阻抗谱（EIS）分析图(B)和Tafel图(C)；基于密度泛函理论（DFT）模拟的LIG (D)、SnO₂/LIG (E)和SnO₂/CeO₂/LIG (F) 的电极结构。其中绿色代表电子的积聚区域，蓝色代表电子的消散区。LIG (G)、SnO₂/LIG (H)和SnO₂/CeO₂/LIG (I)电极的态密度（DOS）图。 
图5 (A) LIG(红线)和SnO₂/CeO₂/LIG (黑线)的红外光谱图。(B)不同电极的吸附能；(C)-(H) 基于密度泛函理论（DFT）模拟下的不同电极对Cd的吸附模型(C)-(E)及相应的电子转移(F)-(H)。其中绿色代表电子的积聚区域，蓝色代表电子的消散区。LIG电极(C)、(E)， SnO₂/LIG电极(D)、(G)和 SnO₂/CeO₂/LIG电极(E)、(H) 文章的第一作者为中国地质大学（北京）水资源与环境学院的硕士生刘月华，通讯作者是其导师薛强副教授。该工作得到了国家自然科学基金面上项目的支持。 

作者简介

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薛强，山西太原人，博士生导师。日本筑波大学博士，日本国立产业技术综合研究所(AIST)特别研究员/博士后，2014年开始在中国地质大学(北京)任教。回国任教以来主持国家自然科学基金面上项目（1项）、北京市自然科学基金面上项目（1项）、国家重点研发计划（子课题）（2项）、广西重点研发计划（1项）、中国地质调查局项目（1项）等项目，主持经费600余万元。现任SCI刊物《Analytical  Sciences》(执行)副主编和《Chinese  Chemical  Letters》青年编委。

原文链接

https://authors.elsevier.com/a/1e8uf4x7R2YsFJ

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