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基于MOF材料构建高性能光电化学传感器用于苯胂酸类污染物检测研究

彭苗  
【摘要】:苯胂酸类物质如阿散酸(p-arsanilic acid,p-ASA)和洛克沙胂(roxarsone,ROX)是一种常见的饲料添加剂,其经牲畜粪便排放到环境中后可转变为高毒的无机砷,这种新型微污染物浓度的检测对于环境风险评估和污染治理具有重要意义。光电化学传感器具有灵敏度高、选择性好和成本低等优点,已被广泛应用于多种物质的检测。电极材料是传感器的核心组成部件,开发兼具光电活性与识别特性的电极材料可以有效避免识别元件(如生物分子)的修饰,简化传感器构建过程,提高其环境稳定性。本论文以两种卟啉配体的锆基金属有机框架(PCN-222PCN-224)及其与二维材料(GO、MXene)复合为电极材料,无需引入其他识别单元,构建高性能光电化学传感器检测p-ASA和ROX。主要研究内容如下:(1)分别以具有相同结构组成但金属不饱和配位位点不同的PCN-222和PCN-224为电极材料构建光电化学传感器检测p-ASA。PCN-222和PCN-224的光谱学表征结果表明两种材料在可见光(420 nm)下能被激发,且具有较宽的可见光吸收范围,有利于光电转换的实现,且两种电极材料对p-ASA均有较好的化学选择性结合,兼具光电活性和识别特性。PCN-222和PCN-224电极均对p-ASA有较好的光电响应,在最优条件下考察了光电化学传感器对p-ASA的检测效果,PCN-222和PCN-224电极分别在较宽范围(10μg/L-50 mg/L和1μg/L-50 mg/L)存在3个线性检测区间,其检测限分别为5.87和0.61μg/L。对比两种电极的检测结果,发现PCN-222对高浓度p-ASA的结合效果更好,其检测灵敏度更高,而PCN-224对低浓度p-ASA的结合效果更好,更适用于低浓度检测。这可能是由于PCN-222和PCN-224的金属配位状态和高低浓度下结合机制不同造成的。(2)以PCN-224/rGO纳米复合材料为电极材料构建光电化学传感器检测p-ASA。导电性能良好的rGO能提高PCN-224的光电转换效率,取得显著增加的光电流信号。在最优条件下考察了PCN-224/rGO电极对p-ASA的检测效果,结果表明该光电化学传感器具有较宽的线性检测范围(10 ng/L-100μg/L、100μg/L-10 mg/L)和较低检测限(5.47ng/L),且在两种模拟实际水样(天然水体和养殖废水)中取得较好的检测效果。XPS表征和半导体光电化学原理分析的结果表明p-ASA可通过Zr-O-As配位和π-π堆积作用与PCN-224/rGO电极结合,并改变PCN-224/rGO的导带位置,造成内建电场强度和空间电荷层厚度减小,从而使电子更易越过能带势垒转移到电解液中还原氧气,获得增加的光电流。(3)以PCN-222/MXene复合材料为电极材料构建光电化学传感器检测ROX。通过竞争配位的合成方法得到空心纳米管状的PCN-222,在合成中MXene的引入不但能提高PCN-222的光电流,而且在一定程度上破坏材料的结构,使其暴露更多的结合位点,增强材料与ROX结合作用力。PCN-222/MXene电极对ROX取得较好的检测效果,其检测线性范围为100-5000μg/L和5-50 mg/L,检测限为11.47μg/L。


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