伏安刻蚀制备高活性多孔银膜及对三氯乙酸的电化学检测

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氯乙酸是一种常见的有机卤代污染物,研究高效的、快速的三氯乙酸含量检测技术具有重要的应用前景。本文采用伏安刻蚀法对金属银丝进行表面改性,制得高活性多孔自支撑银膜,用于环境污染物三氯乙酸的电化学检测。通过扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD),及X射线光电子能谱(XPS)进行材料表征。利用恒电位阶跃分析改性银丝的表面粗糙度变化,利用循环伏安法考察改性银丝电极的电化学性能,利用计时电流法探究改性银丝的电分析检测性能。由于银丝良好的导电性,和改性后获得的比表面积大、催化活性高等优点,将其应用于三氯乙酸的电化学检测,结果表明这种新型的三氯乙酸电化学传感器具有高灵敏度、选择性、稳定性。(1)以无机阴离子作为刻蚀活化液,考察其不同种类及调控条件对银丝的伏安刻蚀效果。选取不同阴离子,如HCO3-,CO32-,NO3-,OH-,SO42-,F-,Cl-,Br-,I-,进行对比研究发现卤族元素氯离子是最佳选择。进一步优选无机阴离子(Cl-)的浓度和伏安刻蚀圈数对制备高活性多孔银膜的影响。实验结果表明,当Na Cl溶液的浓度为0.5 mol·L-1时,伏安刻蚀循环2周是最佳的。通过恒电位阶跃实验测得活化后银丝表面粗糙度为144.8 cm2·cm-2,SEM分析表明活化后银丝表面呈现多孔结构,孔径在0.3μm左右,多孔膜厚度为4.5μm。与光亮的银丝(粗糙度为1.7 cm2·cm-2)相比,活化后银丝电化学活性表面积提高了85倍。用于电分析检测三氯乙酸时,基于三氯乙酸0.1-518.1μmol·L-1的浓度范围,得出最低检测限是70 nmol·L-1(R2=0.9983)。改性后银丝电极表现出良好的重复性、重现性,且具有优秀的抗干扰性能以及长期稳定性。(2)鉴于目标检测物三氯乙酸中包含三个Cl原子,以及伏安刻蚀机理可以想到,三氯乙酸分子中的氯元素也可以成为刻蚀活化的有效氯。因此,我们以三氯乙酸为刻蚀液,通过伏安刻蚀法对金属银丝的表面微结构进行改性,构建具有目标检测物三氯乙酸印迹刻蚀的银丝活化电极。利用SEM、XRD、EDS等表征结果可知,以三氯乙酸为活化液刻蚀金属银丝表面,可获得比无机阴离子刻蚀更加丰富的多孔银膜骨架结构。在刻蚀过程中银丝表面的微结构中引入了由氯原子键合的三氯乙酸分子,增强了表面粗糙度,提高了电化学真实表面积,还在电极表面印迹了与三氯乙酸高度匹配的活性位点,使得改性银丝电极获得更高的电催化活性。通过优化印迹刻蚀过程的制备条件,如三氯乙酸浓度、银丝印迹刻蚀的圈数、印迹刻蚀过程中的循环伏安扫描范围,得出当三氯乙酸浓度为0.5 mol·L-1,刻蚀圈数为20周,循环伏安扫描范围为-0.6~1.0V时,制得的高活性多孔银膜骨架电极性能最佳。由恒电位阶跃实验得出该电极的电化学真实表面积为753.2cm2·cm-2,比光亮银丝表面提高了426倍,比Cl-离子伏安刻蚀的银丝提高了5倍。将其用于三氯乙酸的电化学检测,基于三氯乙酸0.05-313.2μmol·L-1的浓度范围,计算得出最低检测限是35 nmol·L-1(R2=0.9997)。新制得的改性银丝电极同样具有优异的重复性、重现性、长期稳定性、抗干扰性能。
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