Ag@Co₂O₃核殼結構納米材料的合成及其電化學傳感應用

劉建波　尚永輝　許錦瓊　劉靜

摘????? 要：通過水熱法合成了Ag@Co₂O₃核殼結構納米球。通過在GCE上修飾Ag@Co₂O₃核殼結構納米球，構建出了一種新型無酶肼（N₂H₄）電化學傳感器。使用掃描電鏡和能譜儀對Ag@Co₂O₃的形貌和化學組成進行了表征。構建的傳感器對N₂H₄的氧化有良好的催化作用。Ag@Co₂O₃/GCE檢測N₂H₄的線性范圍是5.5×10^-6～0.87 mol?L^-1，檢出限是1.8×10^-6mol?L^-1。建立了一種檢測N₂H₄的新方法，并能拓展核殼結構納米材料的應用。

關? 鍵? 詞：核殼結構納米材料;肼;水熱法;電化學傳感器

中圖分類號：TL271⁺.3?????? 文獻標識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）07-1294-04

Preparation of Ag@Co2O3 Core-shell Nanomaterials

and Its Electrochemical Sensing Application

LIU Jian-bo， SHANG Yong-hui， XU Jin-qiong， LIU Jing

（School of Chemistry and Chemical Engineering， Xianyang Normal University， Xianyang Shaanxi 712000， China）

Abstract： Ag@Co2O3 core-shell nano-spheres were synthesized by solvent heating method. A novel non-enzymatic hydrazine chemical sensor was constructed by modifying Ag@Co2O3 core-shell nano-spheres on GCE. The morphology and chemical constitution of the Ag@Co2O3 core and shell were characterized by scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy. This hydrazine sensor was fabricated to catalyze the oxidation of hydrazine. The linear range of the hydrazine was 5.5×10-6～0.87 mol?L-1， and the detection limit was 1.8×10-6 mol?L-1. This experiment provides a simple method for the detection of hydrazine and can expand the application of core-shell structure nanomaterials.

Key words： Core-shell structure nanomaterials; Hydrazine; Hydrothermal method; Electrochemical sensor

肼（N₂H₄）可以與某些氧化劑形成液體推進劑，所以廣泛應用于火箭和導彈領域。另外，N₂H₄也廣泛應用于制藥和化工行業^[1-2]。N₂H₄具有較強的吸水性和劇毒性，它能腐蝕皮膚，刺激眼睛，損害肝腎，甚至破壞中樞神經系統，N₂H₄也是致癌物之一^[3]。因此，檢測環境和動物體內痕量N₂H₄是非常重要的。檢測N₂H₄的方法很多，如熒光法^[4]、光譜法^[5]、比色法^[6]，以及電化學方法^[7-9]。在這些方法中，電化學方法具有操作簡單，成本低，應用廣泛，反應快，靈敏度高等特點。

電化學方法檢測N₂H₄是基于其在電極表面發生的催化氧化效應，電極表面的材料對分析有一定的影響。研究發現，在裸電極表面檢測N₂H₄的氧化過程是非常緩慢的，而且經常導致低的靈敏度和嚴重的干擾。因此，為了提高其分析性能，研究合適的修飾電極材料是必不可少的。

核殼結構復合納米材料一般是由內部的核體和外部包裹的殼層組成的。貴金屬納米顆粒因其具有許多特殊的性質，在不同領域存在著多種潛在的價值，從而也具有廣闊的應用前景。Ag納米粒子具備導熱性和高導電性、成本較低、抗菌性優異等優點，所以得到廣泛關注。把貴金屬和金屬氧化物相結合，使得納米材料得到單一成分物質不具備的特殊性質^[10]。

在本次研究中，采用簡單的水熱法合成了Ag@Co₂O₃核殼結構納米球，并且制備了Co₂O₃納米顆粒為對比樣品，對樣品的形貌和結構進行了表征。通過Ag@Co₂O₃/GCE研究N₂H₄的催化氧化性能，建立了檢測N₂H₄的新方法。

1? 實驗部分

1.1? 試劑

AgNO₃、CoCl₂×6H₂O、乙二醇、水合肼、KCl和無水乙醇從天津紅巖試劑廠購買;乙酸鈉、殼聚糖（CS）、Na₂HPO₄和NaH₂PO₄從麥克林公司購買。磷酸鹽緩沖液（PBS，0.1 mol，pH 7.0，包含0.1 mol KCl）由Na₂HPO₄和NaH₂PO₄配制而成。其它試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。

1.2? 儀器

材料的形貌通過掃描電鏡（S4800，日本日立公司）表征;化學組成通過能譜儀分析;電化學性質通過CHI660D電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）測定，其中修飾的玻碳電極為工作電極、飽和甘汞電極為參比電極、鉑絲電極為輔助電極。

1.3 ?實驗方法

1.3.1 ?Ag@Co₂O₃納米復合材料的制備

在分析天平上稱取0.951 7 g CoCl₂×6H₂O，然后溶解在盛有40 mL乙二醇的燒杯中。再向其中加入4.763 2 g CH₃COONa×3H₂O和0.100 0 g AgNO₃，將攪拌均勻的混合溶液倒入100 mL的聚四氟乙烯反應釜中，160 °C加熱10 h，反應產物離心，用乙醇和蒸餾水清洗3次后，放到60 °C真空烘箱中干燥12 h，即得到納米復合材料。

上述合成方法中如果不加AgNO₃，則制備出Co₂O₃納米材料。

1.3.2 ?傳感器構建過程

首先分別用1.0 μm和0.3 μm的氧化鋁粉末對玻碳電極（GCE）進行拋光，然后在無水乙醇和二次蒸餾水中進行超聲處理。將制備好的Ag@Co₂O₃納米復合材料和Co₂O₃納米復合材料各取1 mg分別分散在0.5 mL 的0.5 mg×mL^-1CS水溶液中，然后對其超聲5 min，得到均勻的懸浮液。最后，用微量注射器各移取6 mL懸浮液滴于已拋光打磨好的GCE表面，待其在陰涼且干燥的環境下自然干燥后，就分別得到Ag@Co₂O₃/GCE傳感器和Co₂O₃/ GCE傳感器。

2? 結果與討論

2.1? 納米材料的表征

利用掃描電鏡對Ag@Co₂O₃的形貌進行了表征。圖1是Ag@Co₂O₃的掃描電鏡圖。由圖可以看出得Ag@Co₂O₃是大小不一的球形且為核殼結構，直徑大約在70 ～ 400 nm，造成此類現象的原因可能是Ag的存在改變了Co₂O₃納米球直徑的大小。圖2是Ag@Co₂O₃的能譜圖，在上面可以看到Ag、Co、O均有峰，確定了Ag@Co₂O₃的化學組成，由此可以得出結論，該納米復合材料成功制備出來。

2.2? Ag@Co₂O₃/GCE的電化學性能

圖3是不同電極獲得的循環伏安圖。

從圖3A可以看出，在沒有加入N₂H₄時，GCE、Co₂O₃/GCE、Ag@Co₂O₃/GCE沒有明顯的峰，說明沒有電化學響應。如圖3B所示，將0.5 mmol?L^-1N₂H₄加入到0.1 mol?L^-1PBS （pH = 7.0）中時，裸GCE仍然沒有電流響應，Co₂O₃/GCE和Ag@Co₂O₃/GCE在0.86 V有明顯的電流響應，但Ag@Co₂O₃/GCE呈現更明顯的氧化峰，而且該氧化峰的電流大于Co₂O₃/GCE的。這表明Ag@Co₂O₃/GCE對N₂H₄的氧化表現出良好的催化性能。

圖4A是使用Ag@Co₂O₃/GCE在以0.1 mol·L^-1PBS （pH = 7.0）作為底液時，在不同掃速獲得的循環伏安圖。

可以看出，氧化峰峰值電流隨掃速的增加而增大。圖4B為Ag@Co₂O₃/GCE在不同掃速下的標準曲線。由圖可以得到其線性方程為I=-169.9v^1/2-0.978 5，氧化峰值電流與v^1/2成正比，說明該電極反應受擴散控制。

2.3? Ag@Co₂O₃/GCE電催化氧化N₂H₄

電流時間曲線是施加某個恒電位，加入不同濃度N₂H₄時，電流隨時間變化的曲線。圖5A是Ag@ Co₂O₃/GCE在0.1 mol?L^-1PBS溶液（pH =7.0）中連續加入不同濃度的N₂H₄溶液獲得的i-t響應。

可以看出，氧化電流呈規則的階梯狀增長，并在3 s內迅速達到穩定值，說明這是一個快速響應的過程。圖5B為Ag@Co₂O₃/GCE對不同濃度N₂H₄做的標準曲線，可以得到該傳感器溫室N₂H₄的線性范圍為5.5×10^-6～0.87 mol?L^-1，檢出限為1.8×10^-6mol?L^-1（S/N = 3）。

2.4 ?重復性、穩定性、選擇性和實際樣品測定

在相同的條件下構建了六個電極，并比較了它們的安培響應。相對標準偏差小于4.3%。這表明修飾電極具有良好的重復性。在室溫下保存3周后，修飾電極對N₂H₄的響應電流為初始值的91%左右。表明該傳感器具有良好的穩定性。

圖6是幾種不同的干擾物質加入含肼的溶液中檢測出的電流時間曲線。如圖6所示，當在底液中用微量注射器加1 mmol·L^-1N₂H₄時，電流響應明顯，依次加入干擾物質0.1 mol·L^-1NaCl、CH₃COONa和Na₂SO₄，電流沒有明顯變化。雖然干擾物質的濃度是N₂H₄的濃度的100倍，但仍無明顯的電流響應，表明構建的該化學傳感器具有良好的抗干擾能力。

使用Ag@Co₂O₃/GCE測定了實際水樣，結果如表1所示。

從表1可看出，回收率在95.5%～106.0%，測定準確度較高，說明Ag@Co₂O₃/GCE可以被用來檢測實際樣品中的N₂H₄。

3 ?結 論

本文中，采用溶劑熱法成功地制備出了Ag@Co₂O₃核殼結構納米材料，并構建了基于該納米材料的無酶型N₂H₄傳感器。該傳感器表現出優良的性能，具有一定的抗干擾及穩定性的能力，且響應時間更短。本次實驗提供了一種更加簡單、有效的檢測N₂H₄的方法，也為構建其他電化學傳感器提供了參考。使核殼結構納米材料在以后的各個領域具有廣闊的研究空間和應用潛力。

參考文獻：

[1]CHANNON R B， JOSEPH M B， BITZIOU E， et al. Electrochemical flow injection analysis of hydrazine in an excess of an active pharmaceutical ingredient： achieving pharmaceutical detection limits electrochemically[J]. Analytical Chemistry， 2015， 87（19）： 10064- 10071.

[2]WU S H， CHEN D H. Synthesis and characterization of nickel nanoparticles by hydrazine reduction in ethylene glycol[J]. Journal of Colloid Interface Science， 2003， 259（2）： 282-286.

[3]KRITTAYAVATHANANON A， SRIMUK P， LUANWUTHI S， et al. Palladium nanoparticles decorated on reduced graphene oxide rotating disk electrodes toward ultrasensitive hydrazine detection： effects of particle size and hydrodynamic diffusion[J]. Analytical Chemistry， 2014， 86（24）： 12272-12278.

[4]ZHANG J J， NING L L， LIU J T， et al. Naked-eye and near-infrared fluorescence probe for hydrazine and its applications in vitro and in vivo bioimaging[J]. Analytical Chemistry， 2015， 87（17）： 9101-9107.

[5]GU X， J. CAMDEN P. Surface-enhanced Raman spectroscopy-based approach for ultrasensitive and selective detection of hydrazine[J]. Analytical Chemistry， 2015， 87（13）： 6460-6464.

[6]丁佳， 滕凱玲. 分光光度法測定水中水合肼方法檢出限的優化[J]. 環境監控與預警， 2015， 7（4）： 19-27.

[7]CHEN C H.， JACOBSE L， MCKELVEY K， et al. Voltammetric scanning electrochemical cell microscopy： dynamic imaging of hydrazine electrooxidation on platinum electrodes[J]. Analytical Chemistry， 2015， 87（11）： 5782-5789.

[8]ZHANG X J， SHENG Q L， ZHENG J B. Preparation of tubular HNTs@PDA-Au Nanocomposites and its electrocatalysis of hydrazine[J]. NANO： Brief Reports and Reviews， 2018， 13（2）： 1850019-1850027.

[9]YANG Z Y， ZHANG S， ZHENG X H， et al. Controllable synthesis of copper sulfide for nonenzymatic hydrazine sensing[J]. Sensors and Actuators B， 2018， 255（9）： 2643-2651.

[10]DONG Y H， YANG Z Y， SHENG Q L， et al. Solvothermal synthesis of Ag@Fe₃O₄nanosphere and its application as hydrazine sensor[J].Colloids and Surfaces A， 2018， 538（11）： 371-377.

基金項目：陜西省自然科學基礎研究計劃（項目編號：2018JM2044）;咸陽市科學技術研究計劃項目（項目編號：2016K02-15）。

收稿日期：2019-11-26

作者簡介：劉建波（1978-），男，陜西寶雞人，副教授，博士，2016年畢業于西北大學分析化學專業，研究方向：電化學分析和生物傳感。E-mail：48719242@qq.com。