【MOF电化学传感器】CuO-ZIF-8修饰电极表面作为检测水溶液中游离氯的新型电化学传感平台

首页 > 行业动态 > 【MOF电化学传感器】CuO-ZIF-8修饰电极表面作为检测水溶液中游离氯的新型电化学传感平台

摘要：
Malek Ashtar University of Technology的Seied Mahdi Pourmortazavi&University of Qom的Ali Ehsani等报道的本篇文章（Sci Rep 2024, 14, 18961）中利用具有高吸附性和催化活性的金属-有机框架（MOFs）开发了一种电化学传感器，用于测定水介质中的游离氯（free-Cl）浓度。合成了一种名为Zn(Hmim)2（ZIF-8）的沸石咪唑框架，并与CuO纳米片结合修饰玻璃碳电极（GCE），提供了一种新的游离氯测定传感器。通过FESEM、EDX、XRD和FT-IR分析对制备的ZIF-8和CuO-ZIF-8复合材料进行了表征。循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）用于电化学表征CuO-ZIF-8/GC修饰电极，证明了该传感器测量游离氯浓度的能力。在最佳条件下，使用差分脉冲伏安法（DPV），制备的CuO-ZIF-8/GC修饰电极对游离氯浓度显示出0.25-60 ppm的线性响应，检测限为12 ppb。最后，制造的传感器被应用于分析实际游泳池水样本中的游离氯，回收率在97.5%到103.0%之间。

研究背景：
1. 在饮用水、废水和游泳池水等水处理过程中，需要有效控制和监测游离氯（free-Cl）的浓度，以保证水质安全和消毒效果。
2. 已有多种方法用于测定水中的游离氯浓度，包括比色法、色谱法、光谱法、化学发光法和电化学方法等。但这些方法存在操作复杂、成本高、选择性不足等问题。
3. 本文作者通过将CuO纳米片与ZIF-8结合，制备了一种新型的复合材料，并应用于电化学传感器，提高了对游离氯的检测灵敏度和选择性，同时简化了检测过程。

实验部分：
1. CuO-ZIF-8的合成
   - CuO纳米片的制备：将334.6 mg CuSO4·5H2O溶解在100 mL去离子水中(DDW)，缓慢加入5 M NaOH溶液(1.5 mL)，持续搅拌2小时，通过离心分离CuO纳米片，用DDW多次洗涤后，60°C真空干燥过夜。
   - CuO-ZIF-8的合成：将0.2 mmol CuO纳米片分散在25 mL甲醇中，加入1 mmol Zn(NO3)2·6H2O和60 mg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，经超声分散20分钟后，加入含800 mg 2-甲基咪唑的25 mL甲醇溶液，室温搅拌1小时，静置24小时，离心分离，甲醇洗涤，60°C真空干燥过夜，最后用乙醇处理以去除残留离子和表面活性剂，100°C真空干燥10小时。
2. 修饰电极的制备
   - 玻璃碳电极(GCE)表面用0.05和0.3 mm的氧化铝浆料打磨，超声清洗于乙醇和DDW中，确保去除污染。
   - 将5 mg CuO-ZIF-8和ZIF-8粉末分别在0.5 mL DDW中超声分散形成均匀溶液，向GCE表面滴加0.5 µL溶液，用红外灯干燥。
3. 电化学表征
   - 使用三电极体系进行电化学测试，包括CV和EIS，以表征修饰电极的电化学性能。
   - 在0.2 M PBS溶液中，pH 6.0条件下，使用CuO-ZIF-8/GCE进行CV测试，研究不同游离氯浓度下的电化学行为。
4. 游离氯的电化学测定
   - 在0.2 M PBS溶液中，pH 6.0条件下，通过DPV技术测定不同浓度的游离氯，优化测定条件，建立定量分析方法。

分析测试：
1. FESEM和EDX分析
   - CuO纳米片显示100-500 nm的平均直径，ZIF-8呈现100-200 nm的六角形态，CuO-ZIF-8复合材料中CuO均匀分散，EDX分析显示Cu, Zn, C, N, O元素均匀分布。
2. XRD和FT-IR分析
   - XRD图谱显示CuO-ZIF-8与ZIF-8晶体结构匹配，表明CuO成功掺杂且ZIF-8结构稳定。
   - FT-IR光谱中，Zn-N伸缩振动约413 cm–1，C-N伸缩振动1143 cm–1，Cu-O伸缩振动约510-618 cm–1。
3. BET比表面积和孔隙结构分析
   - ZIF-8和CuO-ZIF-8的BET比表面积分别为893 m²/g和1708.4 m²/g，后者因CuO的引入而显著增加。
4. 电化学性能测试
   - CV测试显示CuO-ZIF-8/GCE在5 mM [Fe(CN)6]³⁻/⁴⁻溶液中具有更高的电流响应，表明了优异的电化学活性。
   - EIS测试中，CuO-ZIF-8/GCE的电荷转移电阻(Rct)降低至2927 Ω，表明了更快的电荷转移速率。
5. 游离氯的检测
   - DPV测试结果表明，CuO-ZIF-8/GCE对游离氯的检测线性范围为0.25-60 ppm，检测限为12 ppb。
6. 稳定性和抗干扰测试
   - 修饰电极在30天后的存储后，响应电流降低至初始值的93%，显示了良好的稳定性。
   - 在存在SO₄²⁻、SO₃²⁻、NO₃⁻、NO₂⁻、HCO₃⁻、CO₃²⁻等干扰离子的条件下，CuO-ZIF-8/GCE显示出良好的选择性。
7. 实际水样测试
   - 标准添加法应用于游泳池水样，CuO-ZIF-8/GCE成功测定了游离氯浓度，回收率在97.5%至103.2%之间。

总结：
本文成功开发了一种基于CuO-ZIF-8复合材料的电化学传感器，用于水溶液中游离氯的高效检测。该传感器具有高灵敏度、良好的选择性、优异的重复性和稳定性，以及在实际水样中应用的潜力。

展望：
本研究为水处理过程中游离氯的监测提供了一种新的电化学传感技术。未来的工作可以进一步探索该传感器在不同水环境下的应用效果，以及开发多通道传感器系统以实现多种水质参数的同时监测。此外，还可以研究提高传感器稳定性和抗干扰能力的方法，以满足实际应用中更为复杂和多变的需求。

CuO-ZIF-8 modified electrode surface as a new electrochemical sensing platform for detection of free chlorine in aqueous solution
文章作者：Somayeh Jafari, Seied Mahdi Pourmortazavi, Ali Ehsani & Somayeh Mirsadeghi
DOI：10.1038/s41598-024-69869-4
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-69869-4

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。