基于纳米材料修饰电极的溶出伏安法检测重金属离子的微观动力学机理研究

Nanomaterials have been widely applied to detect heavy metals in water due to their unique physical and chemical properties. However, it is not yet clear how the nanomaterial modified electrode works in the heavy metal detection. This project combines the kinetics of the electrode reaction predicted by theory with the electrochemical signals measured from experiment, explaining macroscale phenomena on the basis of microscale kinetic processes. The influence of the physical and chemical properties of the nanomaterial on the heavy metal detection will be simulated, including the size, geometry, distribution on the substrate electrode and the electrocatalytic activity of the nanomaterial. A theoretical model describing the reaction of the heavy metal at the modified electrode surface will be built and the electrochemcial signals corresponding to various nanomaterial modified electrodes will be predicted. This project will help to design efficient nanomaterial modified electrodes, which can improve the selectivity and sensitivity of the heavy metal detection. This project will also provide theoretical guidance and methodological approaches to understand the significance of applying nanomaterials in analytical chemistry.

纳米材料因其独特的理化特性被越来越多的应用于水中重金属污染物的检测分析中。然而，纳米材料修饰电极在重金属离子检测中的作用机理尚不完全清楚。本项目拟结合电化学反应中微观动力学过程与宏观实验测量信号，将电极-溶液界面的微观过程与预测的电信号特征相联系，从实验上探究纳米结构的尺寸、形貌、分布、活性等性质对重金属离子的电化学检测的影响，模拟纳米材料的尺寸大小、几何形貌、在基底电极分布状态和催化吸附活性等性质对重金属离子的电化学沉积-析出这一检测过程，预测检测体系下的电化学信号。建立重金属离子在纳米材料修饰电极表面发生敏感反应的理论模型。预期研究结果将从源头上设计更加高效的纳米材料修饰电极，提高其对重金属污染物的检测灵敏度和选择性，为深入理解纳米材料在分析化学中的作用提供理论指导和技术支撑。

阳极溶出伏安法等电分析方法是用来检测重金属污染物的常见手段。为了提高其检测限、灵敏度、选择性等性能，我们常使用纳米材料对电极进行修饰，也因此需要理解纳米材料在重金属电沉积-溶出反应过程中的动力学作用机制。与简单的电极-溶液界面相比，纳米材料修饰电极增加了界面反应的复杂性，纳米材料的尺寸、形貌、催化活性、覆盖度等均会影响最终的检测效果。在本项目中，我们利用数值模拟对重金属在纳米材料修饰电极表面的电沉积-溶出反应过程进行建模计算，模拟不同材料的尺寸、形貌、催化活性、覆盖度等性质对重金属检测结果的影响。这些动力学模型被用于不同的实验体系中，成功模拟了多种纳米材料修饰电极的实验结果，可以拟合动力学参数、确定反应机制、解释实验现象、定量评估多个共同作用的动力学因素对反应的影响程度等等。