综述：用于电化学监测有害污染物的可磁回收混合材料：综述

《RSC Sustainability》：Magnetically recoverable hybrid materials for electrochemical monitoring of hazardous contaminants: a review

本文综述了磁性纳米复合材料在电化学检测和修复环境中有毒化学物质（如重金属、有机污染物）中的应用，分析了不同材料（如磁铁矿、零价铁、赤铁矿）的合成与性能，并讨论了当前挑战与未来方向。

　　在当今全球环境问题日益严峻的背景下，污染检测与治理技术的开发已成为科学研究的重点领域。有毒化学物质、重金属以及有机污染物对公众健康和生态系统构成了巨大威胁。传统的检测与去除方法在灵敏度、选择性和效率方面往往存在不足，而电化学方法因其独特的优势，如操作简便、成本低廉和高灵敏度，逐渐成为该领域的主流技术。近年来，磁性传感器，特别是基于磁性可回收纳米复合材料的传感器，因其高比表面积、催化性能以及易于分离的特性，展现出广阔的应用前景。将电化学技术与磁性传感器相结合，不仅能够实现对污染物的精准检测，还能显著提升治理效率。本文综述了磁性传感器在电化学检测与污染治理方面的最新进展，重点探讨了磁性材料在污染物检测中的作用机制及其在环境监测中的实际应用潜力。

污染问题的根源在于人类活动的广泛影响。随着全球人口的增长、城市化进程的加快以及工业和农业活动的扩张，水体和土壤的污染问题变得愈发严重。特别是在农业中，为了提高作物产量，广泛使用了化学改良的肥料和农药，这些物质在使用过程中容易通过各种途径进入水体，从而影响生态环境。此外，制药业的排放、市政污水和医院废水也导致了大量药物残留进入水体，这些物质往往具有生物累积性，对人体和生态系统造成不可逆的损害。因此，开发高效、环保、可重复使用的检测与治理技术显得尤为迫切。磁性传感器作为新兴技术，能够有效解决这些挑战，其独特的磁性回收特性使其在实际应用中具有显著优势。

磁性传感器的核心在于其能够将污染物的化学信号转化为可测量的电化学信号。这种信号转换过程依赖于电极材料的性能，如电导率、比表面积以及表面结构。为了提升这些性能，研究人员开发了多种磁性材料，如磁铁矿（Fe?O?）、零价铁纳米颗粒（nZVI）、针铁矿（Fe?S?）和氧化锌铁（ZnFe?O?）等。这些材料不仅能够有效吸附污染物，还能通过催化氧化或还原反应，实现对污染物的降解。磁性材料的高比表面积使其能够提供更多的吸附位点，而其磁性特性则便于在处理后通过外部磁场进行回收，避免二次污染，提高资源利用率。

在电化学检测方法中，循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）和阻抗谱学（EIS）等技术被广泛应用。这些方法在检测灵敏度、选择性和检测限等方面表现优异。例如，一些研究利用Fe?O?纳米颗粒修饰的玻璃碳电极（GCE），通过差分脉冲阳极溶出伏安法（DPASV）实现了对痕量金属离子如Pb2?、Cd2?和Hg2?的检测，检测限可低至纳摩尔甚至皮摩尔级别。此外，磁性复合材料如Fe?O?@MPC（磁铁矿@介孔碳）表现出更高的电化学响应，其对Hg2?和Pb2?的检测限分别为7.8 nM和12.1 nM，且具有良好的磁性回收性能。这些材料的合成和表征技术，如溶剂热法、溶胶-凝胶法和共沉淀法等，为实现高效、可持续的污染检测提供了技术支持。

磁性材料在环境污染物检测中的应用不仅限于重金属，还包括染料、药物和农药等有机污染物。例如，Sudan I是一种常见的有机偶氮染料，已被许多国家列为禁用物质。研究人员通过将La3?掺杂的Co?O?纳米立方体与玻璃碳电极结合，开发了一种高灵敏度的电化学传感器，其检测限为0.05 μM，同时具有良好的选择性和稳定性。类似地，针对合成色素如Tartrazine和Sunset Yellow，研究者利用磁性复合材料如Fe?O?@SiO?/MWCNT（磁铁矿@二氧化硅/多壁碳纳米管）开发了高效的电化学检测方法，使得检测限降至0.04 μM。这些磁性材料不仅能够高效吸附目标污染物，还能通过电化学信号的响应实现对污染物的定量分析。

此外，磁性材料在药物残留检测中也展现出良好的应用前景。例如，通过Fe?O?–MoS?异质结催化剂，研究者实现了对对硝基苯酚（p-NP）和有机染料如甲基橙（MO）的高效降解。这种催化剂不仅能够通过NaBH?作为氢源在室温下进行催化反应，还能通过磁场实现快速回收，适用于多次重复使用。同时，该材料还被用于检测对乙酰氨基酚（PCM）、抗坏血酸（AA）、过氧化氢（HP）和四环素（TC），展示了其在药物残留检测中的广泛适用性。类似的，通过氮掺杂碳纳米壳（N-CSSs）与Fe?O?结合，研究者开发了一种对双氯芬酸（Diclofenac）具有高灵敏度和选择性的电化学传感器，其检测限为0.36 μM，且在多种竞争离子存在的情况下仍能保持良好的选择性。

磁性材料在农药检测中的应用同样值得关注。例如，通过将Fe?O?纳米颗粒与氧化石墨烯（GO）结合，研究者开发了一种高效的电化学传感器，用于检测甲拌磷（Methamidophos）和敌百虫（Omethoate）等农药。这种传感器不仅具有低检测限，还能够实现对实际食品样本中农药残留的准确检测。同时，利用Fe?O?@ZrO?纳米复合材料，研究者开发了一种非酶促电化学检测方法，用于检测有机磷农药如敌百虫（Paraoxon Ethyl）。该方法通过CV和DPV技术实现了对痕量农药的高效检测，且在多次重复使用后仍能保持良好的性能。

在磁性材料与污染物相互作用的机制方面，多种因素共同影响吸附和电化学响应。例如，磁性复合材料的表面官能团（如羧基和羟基）能够通过静电相互作用和氢键作用，有效吸附金属离子和有机污染物。此外，π-π相互作用和共价键形成也是污染物与磁性材料结合的重要机制。例如，通过将Fe?O?纳米颗粒与功能化石墨烯结合，研究者实现了对四环素的高效吸附和检测，其检测限可低至0.13 ppm。而Fe?O?@SiO?–NH?复合材料则表现出对酸性橙7和酸性橙10的良好吸附能力，通过NH?OH/NH?Cl溶液在pH 10条件下实现了对吸附染料的高效脱附。

尽管磁性传感器在污染物检测和治理方面取得了显著进展，但仍面临一些挑战。例如，传感器的稳定性在长期使用中可能受到影响，尤其是在复杂环境中的干扰因素较多时。此外，实际应用中需要考虑材料的可扩展性，如何在大规模环境中实现高效的污染治理和检测仍然是亟待解决的问题。因此，未来的研究方向应聚焦于提高传感器的稳定性和选择性，开发更环保、成本更低的合成方法，并探索其在实际环境中的应用潜力。

在可持续发展方面，磁性传感器因其绿色特性而受到重视。例如，一些研究采用生物材料如生物炭（biochar）和天然聚合物如壳聚糖（chitosan）作为基底材料，通过磁性纳米颗粒的修饰，构建了可回收、可重复使用的电化学传感器。这些材料不仅降低了检测成本，还减少了对环境的二次污染，符合联合国可持续发展目标（SDGs），特别是SDG 6（清洁饮水与卫生）、SDG 12（负责任的消费与生产）和SDG 13（气候行动）。通过这些绿色材料的使用，磁性传感器在环境监测和治理中的可持续性得到了显著提升。

未来，磁性传感器的发展将更加注重微型化、实时检测和智能化。例如，通过将磁性材料与可穿戴设备结合，实现对污染物的即时监测，这将有助于在污染发生初期进行干预。此外，利用3D打印和纳米结构设计，可以提高传感器的稳定性和可重复使用性，从而降低其在实际应用中的成本。同时，结合人工智能和大数据分析，磁性传感器有望实现更精准的污染物识别和处理。

综上所述，磁性传感器在环境污染物检测和治理中展现出巨大的潜力。其独特的磁性回收特性、高比表面积以及优异的电化学响应，使其成为应对日益严重的环境污染问题的重要工具。然而，为了实现其广泛的应用，仍需进一步优化材料性能，提高检测灵敏度和选择性，并推动其在实际环境中的可扩展性。通过不断的技术创新和材料设计，磁性传感器有望在未来成为环境治理领域不可或缺的一部分，为构建更加清洁和可持续的生态环境做出重要贡献。