面向重金属离子检测的金属有机框架-石墨烯气凝胶复合敏感电极的构筑与性能研究
批准号:
62071432
项目类别:
面上项目
资助金额:
57.0 万元
负责人:
徐宏妍
依托单位:
学科分类:
敏感电子学与传感器
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
徐宏妍
中文摘要
重金属污染直接危害到人类的健康与生命。电化学传感器有望实现现场重金属离子的快速检测,但仍然需要解决电极材料灵敏度低、一致性差和成本高的问题。在前期纳米材料和石墨烯材料电化学特性深入研究的基础上,本项目提出基于贵金属修饰的双金属有机框架(MOF)–石墨烯(rGO)气凝胶复合敏感电极,利用ZnCo-MOF核壳结构大孔隙率、高比表面积和rGO良好的导电性的特点,结合贵金属修饰的协同效应,形成稳定的电化学特能,提升电催化过程中氧化-还原反应的电子转移速率、反应动力学和反应催化活性,有望大幅度提升重金属离子电化学传感检测的灵敏度。同时设计开发基于气凝胶前驱体(水凝胶)的静电喷墨打印图形化批量加工工艺,研制出检测限低于国家《生活饮用水卫生标准》所规定重金属指标限值的、高灵敏的、批量化一致性好的、适用于现场作业的电化学传感器,实现对于痕量重金属离子的现场检测,对环境安全与污染治理有重要的推动作用。
英文摘要
Heavy metal contamination is a threat to human health and life. Electrochemical sensors are expected for the on-site fast detection of heavy metal ions, however several problems of the electrodes, including low sensitivity, bad consistency and high cost, are required to solve. Based on the previous in-depth investigation of electrochemical characteristics of graphene and other nanomaterials, bimetal organic frame (MOF) – reduced graphene oxide (rGO) aerogel sensitive composite electrodes modified by noble metals are proposed. ZnCo-MOF core-shell structure is of high porosity and high specific surface area and rGO has good conductivity. Together with the synergetic effect of the noble metal particles, the electron transfer and reaction kinetics can be promoted by the stable electrochemical properties of the electrodes. These will render high sensitivity in the electrochemical detection of heavy metal ions. Meantime, the electrostatic ink-jet printing technique based on aerogel precursor (hydrogel) for graphic batch fabrication processes is designed. Based on the above proposed scheme, the electrochemical sensors with low detection limit, high sensitivity, good consistency and low cost are expected to be developed for heavy metal ions detection. The detection limit of the fabricated sensors is anticipated to be lower than the value set by the national standard "drinking water hygiene standards". The implementation of the project will actively promote the environmental safety and pollution control.
重金属离子由于其不可降解的特性,会对人类的健康产生一定的危害。电化学传感检测可以实现重金属离子的快速检测。作为电化学传感器敏感部件的电极修饰材料直接影响着其检测灵敏度和检测限。项目组以大比表面积的GO和MOF作为电极修饰材料,通过对其进行煅烧、复合以及贵金属修饰等改性,提升了他们电化学检测性能,并设计了用于重金属离子检测的便携式可插拔电极,研究了重金属离子电化学传感检测的机理和增强机制。.项目组针对GO进行了抗坏血酸还原改性和氮掺杂条件下的Co3O4复合改性,针对沸石咪唑骨架结构材料ZIF-67进行了煅烧、双金属掺杂、贵金属修饰及复合等改性,制备了Co3O4复合的氮掺杂GO (Co3O4@NGO), ZIF-67衍生Co3O4@多孔碳材料(Co3O4@C),Zn掺杂改性的双金属ZIF-67(ZIF-CoxZny),双金属ZIF与GO的复合材料(ZIF-Co1Zn1.5@GO),Ag纳米粒子修饰改性的ZIF-Co1Zn1.5 衍生多孔碳材料(Ag@ZIF-T)。对改性前后的GO(MOF)修饰材料的形貌、组成和结构等进行了SEM、XRD、FTIR、XPS、Raman、TEM、N2吸附脱附等表征;利用CV、EIS测试了所制备修饰材料的电化学性能;通过优化DPASV测试条件,以改性前后的GO(MOF)作为工作电极的修饰材料,对重金属离子Pb2+和Cd2+进行了电化学传感检测。发现GO和MOF的电化学性能经改性后有大幅度提升。其中以改性的CoZn双金属ZIF与GO复合的ZIF-CoZn1.5@GO为电极修饰材料时,对重金属Pb2+和Cd2+的检测限最低,分别为6.03 nmol/L和4.4 nmol/L,远低于国家《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)所规定的Pb2+和Cd2+的指标限值(Pb2+ < 10 μg/L (48.2 nmol/L),Cd2+ < 3 μg/L (26.6nmol/L),同时该传感器在对重金属Pb2+和Cd2+的检测过程中还表现出较高的灵敏度(分别为5.27 μA·(μmol/L)-1 和3.07 μA·(μmol/L)-1 )、较强的抗干扰性能和较高的一致性,可以实现对真实水样的快速精准检测。.通过本项目的研究发现重金属离子电化学传感检测性能的增强机制主要包括加快电子转移机制,增多反应活性位点机制和加速氧化还原反应机制。
面向重金属离子检测的金属有机框架-石墨烯气凝胶复合敏感电极的构筑与性能研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:57万元
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批准年份:2020
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负责人:徐宏妍
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依托单位:
高效光分解水的Co3O4纳米材料制备及其电子学特性研究
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批准号:61501408
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:23.0万元
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批准年份:2015
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负责人:徐宏妍
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依托单位:
国内基金
海外基金