纳米四氧化三铁-离子液体对水中As(III)的协同电化学传感机制研究

Electrochemical method has been used to detect As(III) with high sensitivity. However, the reported electrodes were all composed of expensive noble metal. In addition, the noble metal-based electrodes usually operate in strongly acidic media, greatly limiting the real application of electrochemical method in As(III) determination. Based on these key scientific problems, this project combines the high adsorption capacity and electroreduction properties of nanoscale Fe3O4 toward As(III) and high conductivity of room temperature ion liquids (RTILs). Electrochemical sensing surface will be constructed by nanoscale metal oxides-RTILs to determine As(III) in water at near neutral pH with ultra-high sensitivity. This project combines nanotechnology, electrochemical analysis, environmental chemistry, and theoretical computational chemistry to solve the key scientific problems from the aspects of the facets of nanoscale Fe3O4. Through synthesizing Fe3O4 nanocrystals exposed with different facets, the mechanism of enhanced electrochemical signal by Fe3O4-RTILs will be revealed on atomic and microscopic reaction kinetics level. Furthermore, the expected results of this project will provide theoretical support to design and screen highly sensitive, selective, and accurate electrochemical sensing surface based on nanoscale metal oxides-RTILs at molecular or even atomic scale.

电化学方法能够实现对水中高毒性As(III)的高灵敏检测。然而，目前报道中所使用的电极均为较为昂贵的贵金属电极，且检测都是在极酸环境下进行的，大大限制了电化学方法在实际As(III)检测中的应用。基于此关键科学问题，本项目提出将纳米Fe3O4对As(III)的高吸附以及电还原性能与室温离子液体（RTILs）的高导电性结合起来，构筑基于纳米金属氧化物-RTILs的电化学敏感界面，实现在pH近中性条件下对水中As(III)的超灵敏检测。本项目将纳米技术、电分析化学、环境化学和理论计算结合起来，提出从纳米Fe3O4的晶面角度出发，通过制备暴露不同晶面的Fe3O4纳米晶，在更精细的层面上、从反应微观动力学水平揭示Fe3O4-RTILs复合材料增强电化学信号的本质。预期成果将为从分子甚至是原子水平上设计和筛选基于纳米金属氧化物-RTILs的高灵敏、高选择性、高准确性电化学敏感界面提供有利的理论支撑。

针对电化学检测As(III)要求贵金属电极以及检测条件苛刻的问题，本项目将纳米Fe3O4对As(III)的高吸附与室温离子液体（RTILs）的高导电性结合起来，构筑基于铁基纳米金属氧化物-RTILs 的电化学敏感界面，实现在pH近中性条件下对水中 As(III)的超灵敏检测。并将纳米技术、电分析化学、环境化学和理论计算结合起来，提出从纳米 Fe3O4的晶面角度出发，在更精细的层面上揭示 Fe3O4等铁基氧化物材料增强电化学信号的本质。取得的成果为从分子甚至是原子水平上设计和筛选基于纳米金属氧化物-RTILs 的高灵敏、高选择性、高准确性电化学敏感界面提供了有利的理论支撑。主要的科研进展包括：.提出了吸附-催化的检测机制。利用Fe3O4纳米材料对As(III)的高吸附性和小尺寸Au纳米颗粒(Au NPs)对As(III)的催化性，构筑成Au@Fe3O4-RTILs复合材料电极上实现了高灵敏检测As(III)。结果表明，As(III)首先被Fe3O4纳米颗粒吸附到材料表面，随后直接在AuNPs上进行原位催化，这一过程加速了氧化还原的进行，从而大大提高了检测As(III)的灵敏度。.发现小尺寸Fe3O4表面原子Fe(II)/Fe(III)循环促进电化学的作用机理。合成并发现15 nm的哑铃状Au/Fe3O4纳米颗粒表面的Fe(II)具有非常高的活性，可以直接将As(III)还原成As(0)，从而进一步提高As(III)的检测灵敏度。.提出缺陷增强电化学行为的新思路。合成具有大量表面缺陷的Co0.6Fe2.4O4纳米块(~ 14 nm)，构筑的敏感界面实现了对As(III)的高灵敏检测。纳米块表面大量存在的缺陷作为吸附和氧化还原的活性位点，可以有效地增强纳米块对As(III)的吸附能力和电化学反应的速率，从而提高As(III)在电极上增加电化学响应信号。.研究了Fe3O4的晶面效应对电化学行为的影响。合成了暴露(100)和(111)面的Fe3O4立方体和八面体并检测多种重金属离子。结果发现八面体比立方体表现出更优越的电化学和吸附性能。将增强的电化学性能归因于其较大的吸附容量，并且进一步采用DFT模拟的手段从原子层面分析了电化学和吸附差异性的原因。.该项目已发表SCI收录论文8篇，其中影响因子大于5的论文6篇，包括5篇Analytical Chemistry。