基于二维材料-金属的可调控构建敏感膜及其在水中多参数重金属传感器研究

Heavy metals are common toxic elements in water. Heavy metal sensors are exerting profound influence on people’s life and living environment. In order to achieve high sensitive heavy metal sensors, as well as to obtain multi-parameter integrated sensor, sensitivity, selectivity and integration have become the key issues. This project is aimed at heavy metal (cadmium, lead, zinc) detection using 2D material-metal as sensing interface, which is based on the nanotechnology, electrochemical technique and MEMS technique. The novel 2D material-metal fabricated by CVD and electrodeposition, provide a high mass transfer properties; the heavy metal sensors are promoted by doping bismuth to obtain high sensitivity. The interface coupling mechanism of specific surface area and multiple absorption sites of 2D material-metal is investigated for highly selectivity for heavy metal. Moreover, the design, fabrication and package of sensor are developed and combined with multiparameter heavy metal sensor. Its ultimate goal is to achieve highly sensitivity and selectivity of heavy metal sensor for multiparameter heavy metal detection.

为满足水环境多参数重金属（镉、铅、锌）的高灵敏检测需求，本项目拟融合纳米技术、电化学技术以及微加工技术，构建一种基于二维材料-金属的高灵敏重金属传感界面，并将其应用于多参数重金属的快速检测。采用化学气相沉积和电沉积方法创新性地制备二维材料-金属铋敏感膜，为二维材料-金属的高传质以及高富集特性提供依据；通过二维材料中掺杂铋，研究复合纳米材料对重金属的敏感机理与换能机制，考察复合材料的协同增敏效应，获得可控的高灵敏重金属敏感膜制备方法；探索二维材料-金属纳米复合材料的高比表面积、多吸附位点的界面耦合机制，获得高选择性的多参数重金属传感界面；研究多参数重金属电极的集成化，实现电极的自更新以及传感器的设计、加工、封装。多参数重金属传感器与二维材料-金属相结合的研究，在提高痕量重金属检测的灵敏度和选择性方面具有理论和方法上的创新，为开展水环境多参数重金属监测提供重要的技术途径。

通过滴涂、阴极还原及化学气相沉积法制备不同形貌、物理化学性质的二维敏感材料，设计二维材料敏感层结构及芯片基底种类来调控多参数重金属敏感材料的传感性能，深入研究多参数重金属敏感材料石墨烯、二硫化钼的形貌、催化性能、选择性识别能力及作为传感芯片的长期稳定工作能力，阐述二维材料对重金属的检测能力。提出基于二硫化钼丝网印电极的多参数重金属传感芯片，基于二硫化钼的丝网印电极对铅、锌、各具有较高的捕获特性，通过催化性能、检测性能及传感性能分析，相比起二硫化钼片层，在石墨层表面原位复合的二硫化钼与吡咯具有更高的传感响应，二者结合具有很强的协同增敏效能。丝网印方法电极芯片制备流程简单，对实验室条件要求低，加工流程环境友好性强；碳基底相比金、玻碳等具有更低的成本，研究提出的二硫化钼/聚吡咯@碳基丝网印传感器对多参数重金属具有高灵敏、高选择性。对于实现低成本、小样品量便携设备检测芯片的批量化制备有显著的经济效益，为快速、长期稳定测试多参数重金属提供实践经验。