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ChemElectroChem:二維氮摻雜碳化鈦納米材料對于銀納米酶的催化活性的提升用于過氧化氫的超靈敏檢測2022-06-15
近年來,基于銀納米酶的電化學傳感器在現場快速檢測過氧化氫(H2O2)的領域得到了廣泛應用。然而,AgNPs在電極上的嚴重聚集會導致其電化學催化H2O2還原的活性急劇下降。選用具有高比表面積和高導電性的二維納米材料作為AgNPs的載體可以有效改善AgNPs的聚集。二維碳化鈦(Ti3C2)作為典型的二維MXenes納米材料,含有豐富的活性官能團(-F、-OH和-O),比表面積大以及導電性好等優點能夠作為電化學傳感器的電極基底材料。然而,少層Ti3C2納米片容易發生卷曲,進而損害其電化學活性,限制了其在電化學傳感的廣泛應用。目前,鮮有報道探究基于少層Ti3C2納米片作為電極基體材料對銀納米酶的催化活性的影響并應用于電化學傳感領域。

中國海洋大學仇萌課題組采用氮摻雜的改性策略可以改善少層Ti3C2易卷曲的缺點并進一步增強其電子特性以及對銀納米酶的催化活性的提升。該課題組采用了安全無毒的多巴胺為氮源,使用高溫碳化法成功制備出具有獨特孔道結構的氮摻雜Ti3C2材料(N-Ti3C2),并將AgNPs電沉積在N-Ti3C2表面作為工作電極以實現H2O2的超靈敏檢測。制備的Ag/Ti3C2/GCE傳感器在H2O2檢測中表現出良好的傳感性能,具有寬的線性范圍為0.05-35 mM,檢測限低至1.53 μM以及良好的重現性和抗干擾能力。并且該傳感器成功用于胎牛血清、商用隱形眼鏡護理液和自來水等真實樣品中的H2O2測試,表現出高回收率(94.6 %~106.2 %)。

該傳感器表現出較好的H2O2檢測性能主要有以下幾點原因:首先,雜原子N的摻雜提升了Ti3C2的導電性和比表面積,并且N可以作為AgNPs生長的成核和錨定點,N原子與Ag納米晶體未被占據的d軌道可以形成更強的電子相互作用以減少AgNPs的團聚,從而形成分散良好的三維銀納米花結構,具有較高的催化活性。另一方面,N-Ti3C2增加的比表面積可以吸附更多的H2O2,為H2O2的還原提供充足的反應環境。因此,N-Ti3C2在加速電子轉移能力、提升銀納米酶的催化活性和促進H2O2的吸收三方面發揮著重要作用。另外,工作電極基底材料的改性對于提高H2O2電化學檢測性能至關重要。傳感器性能與載體(N-Ti3C2)和催化材料(AgNPs)相關,它們共同影響著最終檢測性能。因此,在未來的研究中,應進一步深入探究二維載體材料和催化材料的協同效應以拓寬其在電化學傳感領域的應用。

圖1 Ag/N-Ti3C2/GCE傳感器制備過程示意圖以及H2O2電化學檢測原理示意圖。

圖2(A)未經剝離的多層Ti3C2的掃描電鏡圖;(B)剝離之后的少層Ti3C2的掃描電鏡圖;(C)N-Ti3C2的掃描電鏡圖和(D)透射電鏡圖;(E)Ag/N-Ti3C2/GCE的放大SEM圖;(F)Ti3C2, N-Ti3C2?和Ag/N-Ti3C2的XPS圖譜。

圖3(A)GCE、Ti3C2/GCE、N-Ti3C2/GCE、Ag/GCE、Ag/Ti3C2/GCE和Ag/N-Ti3C2/GCE在含有2.5 mM H2O2?PBS 溶液(0.1 M,pH=7.0)中的循環伏安曲線,掃描速率為50 mV/s;(B)Ag/N-Ti3C2電極在-0.5 V(vs Ag/AgCl)電位下,依次加入不同濃度的H2O2至0.1 M PBS溶液中的電流響應;(C)H2O2還原電流vs H2O2濃度之間的線性關系;(D)在外加電位為 -0.5 V的持續攪拌的PBS(0.1 M,pH=7.0)中,依次加入0.1 mM H2O2、1 mM尿酸、1 mM葡萄糖、1 mM抗壞血酸、1 mM多巴胺和0.1 mM H2O2的電流響應。

文信息

Two-dimensional Nitrogen-doped Ti3C2 Promoted Catalysis Performance of Silver Nanozyme for Ultrasensitive Detection of Hydrogen Peroxide

Meng Qiu, Beibei Zhu, Dong An, Zhaoshun Bi, Wei Shan, Yonghai Li, Guohui Nie, Ni Xie, Omar A. Al-Hartomy, Ahmed Al-Ghamdi, Swelm Wageh, Xichang Bao, Xiang Gao, Han Zhang

ChemElectroChem

DOI: 10.1002/celc.202200050

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