含氮多孔碳限域金纳米粒子用于电化学检测液相二氧化氯

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230198

摘要/Abstract

摘要：

目前，二氧化氯（ClO₂）消毒剂已成为最受人们青睐的绿色消毒剂之一。虽然人们广泛应用ClO₂消毒剂于各个领域，但有关ClO₂浓度检测的研究报道却比较少。因此，开发新型敏感材料用于检测液相ClO₂显得尤为重要。以聚吡咯为氮源，与KOH混合烧结后得到的含氮多孔碳（NPC）作为基底，负载金纳米粒子后经高温煅烧去除表面活性剂，得到含氮多孔碳负载金纳米粒子催化剂（NPC-Au-P）。与传统方法制备的氮掺杂碳负载金纳米粒子相比，NPC-Au-P中多孔结构可限域金纳米粒子，使其在经过高温煅烧后仍可以保持较小的尺寸，因此具有较高的催化活性。在电化学检测液相ClO₂方面，NPC-Au-P表现出较高的灵敏度（29.77 L·mA/mol））以及较低的检出限（0.12 μmol/L）。

关键词: 含氮多孔碳, 金纳米粒子, 限域, 电化学, 二氧化氯

Abstract:

At present， chlorine dioxide （ClO₂） has become one of the most popular green disinfectants. Although ClO₂ disinfectant has been widely used in various domains， there are few survey reports on the detection of ClO₂ concentration. Therefore， it becomes an urgent demand to develop new catalyst materials for detection of ClO₂ in liquid phase. Using polypyrrole as the nitrogen source， the N-doped porous carbon （NPC） is obtained by mixing and annealing with KOH as the substrate. After the loading of gold nanoparticles， the surface active agent is removed by high-temperature pyrolysis， and the Au nanoparticles embedded in N-doped porous carbon catalyst （NPC-Au-P） are obtained. Compared with the N-doped carbon supported Au nanoparticles prepared by traditional methods， the porous structure of NPC-Au-P can limit the domain of Au nanoparticles， which can maintain a smaller size after high temperature pyrolysis， so it has higher catalytic activity. For electrochemical detection of ClO₂ in the liquid phase， NPC-Au-P has a high sensitivity of 29.77 L·mA/mol and a low detection limit of 0.12 μmol/L.

Key words: N-doped porous carbon, Au nanoparticles, Limit the domain, Electrochemistry, Chlorine dioxide

中图分类号:

O646.5

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图/表 8

图 1 不同催化剂的制备流程

Fig.1 Schematic illustration of preparation of different catalysts

图2 不同催化剂的XRD谱（A）、Au4f XPS谱（B）和N1s XPS谱（C）

Fig.2 XRD patterns （A）， Au4f XPS spectra （B） and N1s XPS spectra （C） of different catalysts

图3 NPC和NPC-Au-P的N2等温吸脱附曲线（A）和孔径分布图（B）

Fig.3 N2 adsorption-desorption isotherm （A） and pore-size distribution （B） of NPC and NPC-Au-P

图4 NC-Au （A）、NC-Au-P （B）、NPC-Au （C）和NPC-Au-P （D）的TEM图像

Fig.4 TEM images of NC-Au （A）， NC-Au-P （B）， NPC-Au （C） and NPC-Au-P （D）

图5 Au盘电极（A）和不同催化剂（B）催化ClO2的循环伏安图、不同扫速下电流密度差的线性拟合（C）、双电层电容值（D）和不同载体的阻抗测试图（E）

Fig.5 CV of Au electrode （A） and different catalysts （B） with ClO2， current density difference plotted against scan rate （C）， hereby calculated Cdl values （D） and EIS of different supports （E）Note： 0.5 mol/L H2SO4 as background and in the presence of 1 mmol/L ClO2， scan rate： 50 mV/s（A， B）， current value at 0.3 V（C， D） and 10 mmol/L ［Fe（CN）6］3-/4-， 0.1 mol/L KCl （E）

图6 NPC-Au-P在不同浓度ClO2溶液中的DPV测试（A），电流-浓度线性拟合方程（B），不同催化剂的灵敏度和检出限（C）

Fig.6 DPV test of NPC-Au-P with different concentration of ClO2 （A）， linear regression equation of current-concentration （B）， sensitivity and detection limit of different catalysts （C）Note： 0.5 mol/L H2SO4 as background with different concentration of ClO2 （A）， amplitude： 50 mV

图7 NPC-Au-P检测ClO2的i-t曲线（A），电流-浓度线性拟合方程（B），抗干扰测试（C），干扰物DPV测试（D）

Fig.7 i-t curve （A）， linear regression equation of current-concentration （B）， anti-interference test （C） of ClO2 detected by NPC-Au-P， DPV test of the interference and ClO2 （D） 0.5 mol/L H2SO4 as background， applied potential 0.78 V （A， C）

表1 自来水中检测ClO2（n=3）

Table 1 Detection of ClO2 in tap-water （n=3）

Analyte	Added/（μmol·L^-1）	Found/（μmol·L^-1）	Recovery/%
ClO₂	0	0	/
	5.0	5.132 0	102.64
	300.0	306.305 4	102.10
	900.0	901.282 7	100.14

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