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究院揭示重金属与活性位点间化学相互作用驱动

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究院揭示重金属与活性位点间化学相互作用驱动

  近期,中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所黄行九研究团队利用过渡金属元素调节MoS2纳米片的S空位缺陷、晶相,并利用重金属离子与缺陷活性位点之间以化学相互作用为驱动的原位催化反应,达到高灵敏电化学检测重金属的目的。相关成果已发表在英国皇家化学学会的Chemical Communications 杂志上。

  使用纳米材料修饰电极已经被证明是一种可以有效提升电化学传感响应性能的方法。研究人员已经从实验和理论上证明了重金属离子检测过程中的吸附-解吸过程。原位的吸附-检测不需要考虑重金属的吸附-解吸平衡,能够大幅度提升电化学检测灵敏度。毫无疑问,纳米材料的吸附能力在电化学检测中起着至关重要的作用。因此,在过去的大量研究中,研究人员着力于研究纳米材料对重金属的吸附能力而忽略了其中的相互作用形式,原子层面上的机理有待于进一步探索,特别是物理相互作用与化学相互作用对于电子传输与催化反应的影响差异。这极大地限制了超灵敏电化学传感器的发展。MoS2作为一种典型的二维(2D)过渡金属硫族化合物(TMD)材料被广泛研究,然而由于其缺乏与重金属反应的活性位点而极少被用于电化学检测之中。

  研究人员在先前研究中发现,缺陷由于其特殊的配位化学结构、电子结构,能够显著提升电化学检测灵敏度,相关工作已发表在Analytical Chemistry(Anal. Chem. 2017, 89, 3386–3394,Anal. Chem. 2018, 90, 4328–4337,Anal. Chem. 2018, 90, 1263–1272)。基于此,研究人员在原子层面上使用过渡金属元素调节本征MoS2纳米片的缺陷、晶相结构以及电子结构,从而提高MoS2纳米片的电化学传感活性。研究人员使用Mn原子掺杂调节策略来激发MoS2纳米片的电化学活性。研究的重点是缺陷、晶相的调节过程,以及活性位点与待检测物之间的相互作用形式。研究人员利用EXAFS技术证实了Mn单原子通过替代Mo原子位点的形式掺杂,在掺杂之后,形成了一个新的1T相。异原子Mn的存在能够稳定整个晶体结构,并引入大量的S空位缺陷,从而提升Mn-MoS2的电学性能。由于S原子活性被激发,研究人员发现Pb(II)与S原子之间存在化学相互作用。相对于较弱的物理相互作用形式,这种较强的化学相互作用有利于电子传输,能够显著地促进原位还原-再氧化反应的发生,从而极大地提升电化学灵敏度。这些发现为通过缺陷、晶相工程提升电化学检测性能以及从原子层面探索电化学机制提供了新的机遇。

  该研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、中科院创新交叉团队及上海同步辐射装置(BL14W1线站)的支持。

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