重金属污染物在纳米电化学体系中转化规律的同步辐射XAFS研究

Nanoelectrochemistry is one of the important research fields in analysis and treatment of heavy metal ion pollution in the environment. Especially, the redox rules of heavy metal pollutants in the nanoelectrochemistry remain unclear. Integrating with X-ray Absorption Fine Structure technology (XAFS, a Synchrotron Radiation Facility), nanotechnology, experimental electroanalysis technology and computational electrochemical technology and other advanced technologies, this project will in-situ research the nanoelectrochemical interfaces of typical heavy metal pollutants (lead, mercury, cadmium, chromium, arsenic, etc.) in nanoelectrochemical system, and analyze the valence, coordination and redox rule of typical heavy metal pollutants on the nanoelectrode. The corresponding kinetics model of the electrode process will be established, such as diffusion and electron transfer of nanoelectrode by associating electrochemical signal and XAFS data; The nano effect of nanoelectrochemistry in atomic, molecular level will be understood through combination of the first principle and the calculation of multiple scattering calculation and other calculation methods. This project has an important scientific significance to the development of environmental electrochemistry.

重金属污染物在水体环境中涉及多种赋存形态，纳米电化学是环境中重金属污染物赋存形态分析的重要研究方向之一，然而重金属污染物在纳米电化学电极界面上的转化规律还不明确，有待深入研究。本项目将利用同步辐射大科学装置中X射线吸收精细结构（XAFS）技术、纳米技术、实验电分析化学技术以及计算电化学技术等多种技术融合，通过对境中典型重金属污染物（铅、汞、镉、铬和类金属砷等）在纳米电化学系统中纳米电化学界面问题的原位XAFS研究，分析典型重金属污染物在纳米电化学电极上的价态、配位及形态转换规律；通过关联电化学信号与XAFS数据信息，建立对应的纳米电化学电极的扩散及电子转移等电极过程动力学模型；同时，结合第一性原理和多重散射计算等理论计算方法，从原子、分子层面理解纳米电化学中的纳米效应，本项目的研究成果将为重金属污染物的纳米电化学分析提供理论基础与技术支撑。

重金属污染物在水体环境中涉及多种赋存形态，纳米电化学是环境中重金属污染物赋存形态分析的重要研究方向之一，然而重金属污染物在纳米电化学电极界面上的转化规律与增强电化学性能的本质原因还不明确。本项目针对实际地下水环境中典型重金属污染物（铅、汞、镉、铬和类金属砷等），设计并可控合成了6种金属氧化物纳米结构材料与金基纳米复合材料，包括二氧化锡，三氧化二铁，二氧化钛，Au-Cu双金属纳米颗粒、Au-四氧化三铁与Au-石墨烯纳米复合材料。利用同步辐射大科学装置中X射线吸收精细结构（XAFS）技术、纳米技术、实验电分析化学技术以及密度泛函理论（DFT）等多种技术融合，研究了金属氧化物纳米结构材料与金基纳米复合材料等作为电极修饰剂对境中典型重金属污染物（铅、汞、镉、铬和类金属砷等）检测的电化学行为，分析了典型重金属污染物在纳米电化学电极上的价态、配位及形态转换规律，通过关联电化学信号、XAFS数据信息与密度泛函理论（DFT）计算数据等，阐明了金属氧化物纳米结构材料暴露不同晶面与晶相，纳米结构材料的缺陷、不同价态离子的循环对电化学行为的影响，从原子、分子层面理解纳米电化学中的纳米效应，揭示了纳米结构材料增强电化学性能的本质原因，并发展了3种适用于实际地下水环境中典型重金属污染物（铅、汞、镉、铬和类金属砷等）的电化学分析方法，提出的分析方法的检测限不高于饮用水国标要求。研究成果将为重金属污染物的纳米电化学分析提供理论基础与技术支撑。