阅读说明：本技术 一种用于砷锑电化学检测的核壳结构电极材料 (Core-shell structure electrode material for arsenic-antimony electrochemical detection ) 是由 景传勇 于亚琴 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明用电沉积法合成了具有核壳结构的AuFe@FeOx-CFC电极材料,当沉积电压为-1.2V沉积时间为60s时,壳层厚度为1.6nm的电极材料充分发挥核的电催化能力和壳的吸附能力,通过便携式电化学工作站观察到了砷和锑的阳极溶出特征峰。AuFe@FeOx-CFC电极材料对As(III)和As(V)的检出限分别为0.5ng·L<Sup>-1</Sup>和5ng·L<Sup>-1</Sup>,对Sb(III)和Sb(V)的检出限分别为0.05ng·L<Sup>-1</Sup>和0.03ng·L<Sup>-1</Sup>。通过一系列实验证明本发明采用的样品制备方法及目标污染物分析方法操作简便,可以实现环境基质中砷和锑的快速和痕量检测。(The invention synthesizes the AuFe @ FeOx-CFC electrode material with the core-shell structure by an electrodeposition method, when the deposition voltage is-1.2V and the deposition time is 60s, the electrode material with the shell thickness of 1.6nm gives full play to the electrocatalytic capability of the core and the adsorption capability of the shell, and the anode dissolution characteristic peaks of arsenic and antimony are observed by a portable electrochemical workstation. AuFe @ FeOx-CFC electrode materialDetection limits for As (III) and As (V) are 0.5 ng.L ‑1 And 5 ng.L ‑1 The detection limits for Sb (III) and Sb (V) are 0.05 ng.L ‑1 And 0.03 ng. L ‑1 . A series of experiments prove that the sample preparation method and the target pollutant analysis method adopted by the invention are simple and convenient to operate, and can realize rapid and trace detection of arsenic and antimony in the environmental matrix.)

一种用于砷锑电化学检测的核壳结构电极材料

技术领域

本发明属于环境分析领域，具体涉及一种用于砷锑电化学检测的核壳结构电极材料。

技术背景

砷和锑(以下简称砷锑)均为全球性污染物，对人类健康造成了极大的威胁，欧盟和美国环境保护署已经将砷锑列为优先控制污染物，饮用水限值分别为10和6μg·L^-1。砷锑的毒性与价态密切相关，三价的毒性是五价毒性的10倍左右。常用的砷锑检测方法有原子荧光法、原子吸收法、等离子体质谱以及高效液相色谱等分析方法，上述方法所用的仪器价格昂贵，并且对样品前处理要求较高。因此，探索简便经济、快速高效的砷锑形态分析方法已成为当今环境分析领域的重要研究方向之一。

1791年意大利物理学家Luigi Galvani发现生物形态下存在的“神经电流物质”，在化学反应和电流间架起了一座桥梁，以此为基础建立起来的电化学(EC)技术在分析化学等领域有着广泛的应用。1820年捷克斯洛伐克化学家Heyrovsky首次发明阳极溶出伏安法(ASV)，能够迅速、灵敏的测定化学元素，在1959年因发明和发展极谱法而获得诺贝尔化学奖。作为一种高探测灵敏度、高分辨率、操作简单、廉价经济的技术，ASV被广泛应用于环境介质中污染物形态分析及定量领域。将ASV技术用于砷和锑形态分析从理论上讲是可行的，但是限制其应用的一个主要问题是如何制备高效的电极传感器，从而提高砷和锑检测的灵敏度。

电极传感器的制备是实现优异ASV信号的关键，也是ASV分析领域的研究热点之一。传统的ASV电极是滴汞电极，汞滴的不稳定性和毒性限制了滴汞电极的实际应用。随着纳米技术的飞速发展，Au纳米颗粒作为电极催化剂被广泛应用，金电极对Sb(III)的检出限为0.19μg·L^-1，对Sb(V)的检出限为0.32μg·L^-1；Au纳米颗粒做为工作电极，用微分脉冲阳极溶出伏安法对Sb(III)的检出限为3.4μg·L^-1；金电极在1M HCl介质中，共检测0.02μg·L^-1As(III)，Cu(II)and Hg(II)；硫醇化的Au电极对Cr(VI)的检出限为0.02μg·L^-1。虽然Au电极表现出很好的灵敏度，但检测的重现性、稳定性和经济性仍然有待提高。

具有核壳结构的纳米材料展现出优异的催化性能，核壳结构的最大优势是：(1)充分发挥核和壳的协同作用，即核的电催化能力和壳的吸附能力；(2)可获得形貌及粒径基本可控的纳米尺度颗粒；(3)便于优化并得到强ASV信号的实验条件；(4)廉价过渡金属与贵金属掺杂降低经济成本。FePt双金属纳米颗粒作为工作电极，不仅可以降低生产成本，而且对As(III)检测的灵敏度达到0.8μg·L^-1；Au-Pd双金属修饰的工作电极对As(III)的检出限为0.25μg·L^-1；[email protected]₃O₄作为工作电极，对As(III)的检出限可达到0.0022μg·L^-1；Au/Fe₃O₄/GCE复合材料电极对As(III)的检出限为0.00097μg·L^-1。双金属电极虽然有较好的电催化效果，但其有限的吸附位点降低了电化学检测的灵敏度，通过优化电沉积条件，制备出符合特定要求的核壳结构电极传感器，不仅具有双金属的电催化效果还具有金属氧化物突出的吸附能力，可有效提高电化学检测的灵敏度和稳定性。迄今为止，国内外尚未见到有关金铁双金属-铁氧化物-导电碳布复合电极材料([email protected])电极材料应用于砷和锑检测的报道。

为了克服现有技术的缺陷，本申请的发明人进行了反复的深入研究，从而完成本发明。本发明用一步法合成了一种核壳结构的[email protected]电极材料。通过便携式电化学工作站观察到了砷和锑的阳极溶出特征峰。通过一系列实验证明本发明采用的电极材料制备方法及目标污染物分析方法操作简便，可以实现环境基质溶液中的砷和锑快速检测。

本发明首先合成了[email protected]电极材料，这种电极材料具有电信号增强性能。将制备出的[email protected]放入含有目标污染物的溶液中，由于FeOx具有很强的吸附性质，因此溶液中的砷(或者锑)可以吸附在[email protected]纳米颗粒表面，缩短了砷(或者锑)与[email protected]电极材料表面的距离，为砷(或者锑)在电极材料表面沉积和溶出创造了条件。利用便携式电化学工作站可以在60s检测到砷和锑的阳极溶出特征峰。

通过下面的描述来阐明本发明的具体内容：

(1)用电化学沉积法合成核壳结构[email protected]：将200μL 50mM的HAuCl₄溶液和100μL 1M的FeCl₃溶液依次加入到9.7mL 0.1M NaClO₄溶液中，持续向溶液中通入N₂ 15min。以上述溶液为电解液，导电碳布(CFC)为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂丝为对电极，通过调控沉积电压(-0.7～-1.8V)和时间(10～300s)，在CFC上得到具有1.6nm FeOx外壳厚度的[email protected]核壳结构纳米颗粒；

(2)砷的检测：将步骤(1)得到的[email protected]做工作电极，在As(III)溶液中，加入0.01-0.5M H₂SO₄，用方波阳极溶出伏安法测定As(III)。通过调控沉积电压(-0.5～0.1V)和时间(30～500s)，在阳极溶出电压0.28V处可得到很好的As(III)信号，As(III)的浓度范围是0.5ng·L^-1-100μg·L^-1，检测限为0.5ng·L^-1；在As(V)溶液中，加入H₂SO₄和0.02M半胱氨酸，70℃水浴加热10min，用方波阳极溶出伏安法测定As(V)，阳极溶出电压为0.25V，As(V)的浓度范围是5ng·L^-1-100μg·L^-1，检测限为5ng·L^-1；

(3)锑的检测：将步骤(1)得到的[email protected]做工作电极，在Sb(III)溶液中，加入0.01-0.5M H₂SO₄，用微分脉冲阳极溶出伏安法测定Sb(III)。通过调控沉积电压(-0.5～0.1V)和时间(30～500s)，在阳极溶出电压0.13V处可得到很好的Sb(III)信号，Sb(III)的浓度范围是0.05ng·L^-1-100μg·L^-1，检测限为0.05ng·L^-1；在Sb(V)溶液中，加入0.2M KI，0.05M抗坏血酸和H₂SO₄，用微分脉冲阳极溶出伏安法测定Sb(V)，阳极溶出电压为-0.06V，Sb(V)的浓度范围是0.005ng·L^-1-100μg·L^-1，检测限为0.03ng·L^-1。

附图说明

下面通过图例说明本发明的主要特征。

附图1为本发明制备的[email protected]传感器透射电镜照片，实验结果表明制备出的纳米颗粒大小均匀，平均粒径为16nm，具有明显的核壳结构，壳层平均厚度为1.6nm。

附图2为As(III)的ASV谱图。用方波阳极溶出伏安法测定As(III)，阳极溶出电压为0.28V处的电化学信号随着As(III)浓度的增加而升高，对As(III)的分析检出限为0.5ng·L^-1。

附图3为As(V)的ASV谱图。用方波阳极溶出伏安法测定As(V)，阳极溶出电压为0.25V处的电化学信号随着As(V)浓度的增加而升高，对As(V)的分析检出限为5ng·L^-1。

附图4是Sb(III)的ASV谱图。用微分脉冲阳极溶出伏安法测定Sb(III)，阳极溶出电压为0.13V处的电化学信号随着Sb(III)浓度的增加而升高，对Sb(III)的分析检出限为0.05ng·L^-1。

附图5是Sb(V)的ASV谱图。用微分脉冲阳极溶出伏安法测定Sb(V)，阳极溶出电压为-0.06V处的电化学信号随着Sb(V)浓度的增加而升高，对Sb(V)的分析检出限为0.03ng·L^-1。

附图6是[email protected]对砷检测的稳定性。重复使用十次后，[email protected]电极材料对砷的检测信号没有明显变化，RSD为1.1％，实验结果表明制备得到的[email protected]电极材料可重复用于对As的检测，且检测信号稳定。

附图7是[email protected]对锑检测的稳定性。重复使用十次后，[email protected]电极材料对锑的检测信号没有明显变化，RSD为2.6％，实验结果表明制备得到的[email protected]电极材料可重复用于对Sb的检测，且检测信号稳定。

附图8是[email protected]检测环境样品中的砷。在山西采集十个地下水样品，同时用AFS和EC检测水体中砷的含量，检测结果表明[email protected]电化学分析方法与AFS结果能较好的吻合，能够应用于实际样品砷的检测。

附图9是[email protected]检测环境样品中的锑。在湖南采集十个地表水样品，同时用AFS和EC检测水体中锑的含量，检测结果表明[email protected]电化学分析方法与AFS结果能较好的吻合，能够应用于实际样品锑的检测。

发明实施例

下面进一步通过实施例来阐述本发明。

实施例[email protected]传感器的制备：将HAuCl₄溶液和FeCl₃溶液以不同的浓度比(1：3，1：5，1：10，3：1，5：1，10：1)依次加入到0.05-0.5M NaClO₄溶液中，持续向溶液中通入N₂15min。以上述溶液为电解液，导电碳布(CFC)载体为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂丝为对电极，用计时电流法在不同的沉积电压-0.7V和沉积时间30s下，在CFC上得到具有0.5nmFeOx外壳厚度的[email protected]核壳结构纳米颗粒。

实施例[email protected]传感器的制备：将HAuCl₄溶液和FeCl₃溶液以不同的浓度比(1：3，1：5，1：10，3：1，5：1，10：1)依次加入到0.05-0.5M NaClO₄溶液中，持续向溶液中通入N₂15min。以上述溶液为电解液，导电碳布(CFC)载体为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂丝为对电极，用计时电流法在不同的沉积电压-1.2V和沉积时间60s下，在CFC上得到具有1.6nmFeOx外壳厚度的[email protected]核壳结构纳米颗粒。

实施例[email protected]传感器的制备：将HAuCl₄溶液和FeCl₃溶液以不同的浓度比(1：3，1：5，1：10，3：1，5：1，10：1)依次加入到0.05-0.5M NaClO₄溶液中，持续向溶液中通入N₂15min。以上述溶液为电解液，导电碳布(CFC)载体为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂丝为对电极，用计时电流法在不同的沉积电压-1.8V和沉积时间120s下，在CFC上得到具有3.5nmFeOx外壳厚度的[email protected]核壳结构纳米颗粒。

实施例4三价砷的检测：将[email protected]电极材料***含有As(III)的水体中，加入H₂SO₄，用方波阳极溶出伏安法测定As(III)。通过调控沉积电压(-0.5～0.1V)和时间(30～500s)，[email protected]对As(III)的检测限为0.5ng·L^-1，继续延长沉积时间可进一步提高检测灵敏度。

实施例5五价砷的检测：在含As(V)水体中，加入H₂SO₄和半胱氨酸，70℃水浴加热10min，将[email protected]电极材料***水体中，用方波阳极溶出伏安法测定As(V)。通过调控沉积电压(-0.5～0.1V)和时间(30～500s)，[email protected]对As(V)的检测限为5ng·L^-1，继续延长沉积时间可进一步提高检测灵敏度。

实施例6三价锑的检测：将[email protected]电极材料***含有Sb(III)的水体中，加入H₂SO₄，用微分脉冲阳极溶出伏安法测定Sb(III)。通过调控沉积电压(-0.5～0.1V)和时间(30～500s)，[email protected]对Sb(III)的检测限为0.05ng·L^-1，继续延长沉积时间可进一步提高检测灵敏度。

实施例7五价锑的检测：在含Sb(V)水体中，加入KI，抗坏血酸和H₂SO₄，将[email protected]电极材料***水体中，用微分脉冲阳极溶出伏安法测定Sb(V)。通过调控沉积电压(-0.5～0.1V)和时间(30～500s)，[email protected]对As(V)的检测限为0.03ng·L^-1，继续延长沉积时间可进一步提高检测灵敏度。