研究速覽

■?近日，中國海洋大學(xué)王文泰副教授與格里菲斯大學(xué)李勤教授合作，在國際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上發(fā)表題為“Electrochemical and Photoelectrochemical Detection of Hydrogen Peroxide Using Cu2O/Cu Nanowires Decorated with TiO2-x Deriving from MXenes”的研究工作，該工作提出了一種基于MXenes 衍生TiO2的新型材料表面修飾方法，在制備Cu2O/Cu納米線的過程中一步實現(xiàn)材料的復(fù)合，得到了 MXenes 衍生TiO2-x裝飾的 Cu2O/Cu納米線，并用于H2O2的非酶電化學(xué)和光電化學(xué)檢測。?該傳感器上裝飾的源自Ti3C2 MXene的不規(guī)則TiO2-x納米粒子顯著提高了Cu2O/Cu納米線對H2O2的檢測能力，TiO2-x/Cu2O/Cu-NW 電極在 EC 和 PEC 操作模式下都具有出色的 H2O2檢測選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。該工作報道的基于 MXene 衍生TiO2-x的材料修飾策略，在其它材料的TiO2修飾中同樣具有非凡潛力。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?H2O2是電化學(xué)過程中氧化還原信號的主要傳遞體，廣泛存在于食品工業(yè)、環(huán)保、生命科學(xué)、制藥等領(lǐng)域。參與代謝過程的H2O2會產(chǎn)生羥基自由基加速人體細(xì)胞老化，高濃度的H2O2會損傷胃腸道粘膜，引起一系列疾病。因此，對H2O2進(jìn)行可靠、靈敏、快速的檢測，開發(fā)低成本和易操作的H2O2傳感器引起了科研人員的極大興趣。基于此，中國海洋大學(xué)王文泰教授課題組開發(fā)了一種由Ti3C2 MXene衍生的不規(guī)則TiO2-x納米顆粒裝飾的Cu2O/Cu納米線，用于H2O2 的非酶檢測。在EC和PEC操作模式下，TiO2-x/Cu2O/Cu-NW電極對H2O2檢測具有優(yōu)異的選擇性、穩(wěn)定性和可重復(fù)性。在電化學(xué)檢測H2O2時，TiO2-x/Cu2O/Cu-NW電極在10 μM - 42.19 mM范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，低檢出限為0.79 μM (S/N = 3)，與商用H2O2分析儀(0-5.88 mM, Q45H/84, US-QContums)相比，表現(xiàn)出幾乎相同的檢測效果，但其線性范圍更寬。該電極對橙汁和牛奶樣品中H2O2的回收率為96.9 - 105%，具有較好的實際應(yīng)用價值。在對H2O2的PEC檢測中，TiO2-x/Cu2O/Cu-NWs電極的檢出限極低，為59 nM (S/N = 3)，檢測限是EC電極的13倍。電極PEC性能的提高可以歸因于TiO2-x和Cu2O之間形成p-n異質(zhì)結(jié)，提高了光利用率，抑制了光誘導(dǎo)電子和空穴的復(fù)合。

Part2

■ 研究要點1：

作者采用HF對MXene進(jìn)行刻蝕，通過高溫煅燒及氫化作用在MXene片層上原位合成了含有氧空位的TiO2-x納米顆粒。隨后，在熱堿條件的作用下將TiO2-x納米顆粒從MXene片層中刻蝕下來，并且通過靜電吸附作用緊密的包裹在Cu2O/Cu納米線上。這一新的制備方法得到了含有Mxene片層結(jié)構(gòu)的TiO2-x納米顆粒，具有較大的比表面積，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制備的TiO2納米顆粒。

圖1.TiO2-x/Cu2O/Cu-NW電極制備過程及不同步驟的掃描電鏡圖。

■ 研究要點2：

作者首先進(jìn)行H2O2電化學(xué)檢測實驗，結(jié)果表明，TiO2-x/Cu2O/Cu-NW電極在10 μM - 42.19 mM范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，檢出限低至0.79 μM (S/N = 3)。將電極與商用H2O2分析儀(0-5.88 mM, Q45H/84, US-QContums)進(jìn)行實時的同步檢測，其檢測效果基本相同。TiO2-x/Cu2O/Cu-NW電極對H2O2檢測具有優(yōu)異的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。另外，通過真是樣品的檢測實驗，對橙汁和牛奶樣品中H2O2的回收率達(dá)到96.9 - 105%，具有較好的實際應(yīng)用價值。

圖2. 電化學(xué)檢測結(jié)果及與商用檢測儀對比結(jié)果。

■?研究要點3：

作者對H2O2進(jìn)行光電檢測驗證，通過UV–vis DRS spectra及Mott–Schottky plots曲線證明了TiO2-x和Cu2O之間形成p-n異質(zhì)結(jié)，光吸收能力提高，抑制了光生電子和空穴的復(fù)合。TiO2-x/Cu2O/Cu-NW電極在全波段的光照下檢測H2O2，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，重現(xiàn)性和選擇性，其檢測限低至59nM。同時，分別在紫外及可見光下驗證了其對H2O2的檢測具有相似的靈敏度。

圖3. 光電化學(xué)檢測結(jié)果及機(jī)理解釋。

Part3

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?作者提出了一種新的基于MXene衍生TiO2-x形貌設(shè)計的新方法，采用簡單的溶劑熱法將片層狀MXene中衍生出的TiO2-x納米顆?？涛g掉，并通過靜電作用使其緊密的包裹在Cu2O/Cu-NW上。對TiO2-x/Cu2O/Cu-NW在電化學(xué)及光電化學(xué)檢測H2O2進(jìn)行了深入研究。這一含有氧空位的不規(guī)則的TiO2-納米顆粒為H2O2的檢測提供了更大的比表面積及更多的活性位點，其檢測效果與商用的H2O2檢測儀相媲美。在EC和PEC檢測過程中表現(xiàn)優(yōu)異的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，同時在真實樣品檢測中也表現(xiàn)出較高的實際應(yīng)用價值。該工作提出的 MXene 衍生的TiO2-x修飾工藝具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可用于其它材料的修飾，在光、電化學(xué)領(lǐng)域具有非凡潛力。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c19531