研究揭示單原子催化劑在重金屬的電分析新進展

發布時間：2020-03-27 17:12 原文鏈接：研究揭示單原子催化劑在重金屬的電分析新進展

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所研究員黃行九團隊與中國科學技術大學教授曾杰合作，首次利用分散在氮摻雜的多孔碳上的Co單原子催化劑（Co SAC）實現了對As(III) 超高靈敏和選擇性電化學檢測。同時結合同步輻射X射線吸收精細結構（XAFS）技術、密度泛函理論計算（DFT）和動力學模擬計算等手段，從電催化的角度詳細探究了Co SAC和H3AsO3在電化學分析過程中的相互作用方式和工作機制。相關結果已被Analytical Chemistry接收發表（DOI: 10.1021/acs.analchem.0c00677）。

　　近年來，各種納米材料如貴金屬、合金、碳材料、金屬氧化物及其復合物已廣泛應用于As(III)的電化學分析中。然而，大多數研究主要依靠經驗檢驗，僅僅關注檢測的靈敏度、檢測限、選擇性等電化學現象，而忽略了相應的檢測機制，因此，想要真正實現水中As(III)的高靈敏度和選擇性檢測仍然是一個巨大的挑戰。實際上，電化學檢測的本質是傳感界面處的電催化反應過程，該反應會影響As(III)的富集/還原和相應的溶出/氧化信號，但目前仍缺少從電催化角度的科學認識。因此探究傳感界面與目標分析物之間的相互作用，并闡明相應的電催化機理，對于開發有效的功能傳感界面以實現As(III)的高靈敏度和選擇性檢測至關重要。

　　基于以上問題，研究人員首先成功地合成了Co SAC催化劑并將其用于As(III)的電化學檢測，可實現11.44 μA ppb-1的超高靈敏度和對As(III)出色的選擇性。該靈敏度在目前報道的非貴金屬催化劑中是最高的，甚至優于大多數貴金屬納米材料。結合XAFS和DFT計算結果，研究人員發現反應過程中H3AsO3分子被Co-N2C2活性位點催化活化并形成Co-O雜化鍵，從而導致H3AsO3還原過程中As-O解離步驟的能壘降低。此外，反應動力學模擬計算表明，第一電子轉移過程是整個H3AsO3還原的限速步驟，其在Co SAC上比在Co 納米顆粒材料（Co NPs）上快得多，從而促進As(0)的快速大量沉積，大大增強了As(III)的電化學響應信號。對于As(III)的選擇性也歸因于Co-O雜化鍵的形成，因為Co SAC與不含氧陰離子的普通二價重金屬離子之間沒有特定的相互作用位點。

　　這項工作首次利用單原子催化劑構筑傳感界面用于重金屬離子的電化學分析，拓展了單原子催化劑在電分析領域的應用。通過先進的XAFS表征，DFT計算和動力學數值模擬，可以有效地將原子、電子結構與宏觀電化學現象聯系起來，表明了傳感材料的電催化能力在對分析物的靈敏和選擇性檢測中起著至關重要的作用。對Co SAC工作機理的研究為設計環境應用中的功能傳感界面提供了原子級的催化見解和重要的理論指導。同時，也為催化處理和去除水環境中的此類污染物提供了啟發。