创新设计的铝硼化物-f-CB纳米复合材料用于实时电化学检测环境水样中的汞离子

《Journal of Water Process Engineering》：Fruitful design of novel synthesis of aluminium boride–f-CB nanocomposite for real-time electrochemical sensing of mercury ions in environmental water samples

环境汞污染检测需高灵敏度传感器，本研究通过固相反应法制备AlB?@f-CB纳米复合材料，利用XRD、SEM、TEM等手段确认其晶体结构、形貌及元素组成，电化学测试显示检测限0.0286 μM，灵敏度0.6338 μA·μM?1·cm?2，线性范围0.03–2000 μM，在工业废水、自来水及河水样中验证重现性良好（RSD 97–99.6%），为低成本汞离子检测提供新方案。

　　这项研究致力于开发一种新型的纳米复合材料，用于高效检测水中的汞离子（Hg2?），并为环境监测提供一种低成本、高灵敏度的解决方案。汞离子因其高度的毒性，被认为是重要的环境污染源之一，长期暴露可能导致严重的健康问题，包括神经系统损伤、器官功能障碍等。尤其是在工业废水、饮用水和河流水等环境中，汞污染问题尤为突出，对生态系统的稳定性和人类健康构成了潜在威胁。因此，建立一种能够准确、快速、便捷地检测汞离子的传感器，具有重要的现实意义。

在现有的检测技术中，原子吸收光谱（AAS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）以及冷蒸气原子荧光光谱（CV-AFS）等方法虽然具有较高的灵敏度，但在复杂水样中的应用仍存在一定的局限性。这些方法往往需要繁琐的样品预处理步骤，且容易受到基质效应的影响，难以实现高选择性的检测。相比之下，电化学方法因其操作简便、成本低廉以及对痕量金属离子的高检测能力，逐渐成为研究热点。其中，伏安法（如循环伏安法CV和电化学阻抗谱EIS）被广泛用于汞离子的检测，能够通过改变电极电位增强分析物在电极表面的浓度，从而提高检测灵敏度。

本研究提出了一种基于铝硼化物（AlB?）和功能化碳黑（f-CB）的新型纳米复合材料，命名为AlB?@f-CB。该材料通过简单的固态反应法合成，具有优异的电化学活性和较大的比表面积。研究团队采用多种分析手段对复合材料的结构、形貌、元素组成和氧化特性进行了系统表征，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散光谱（EDS）以及X射线光电子能谱（XPS）。这些表征结果表明，AlB?@f-CB复合材料不仅具有良好的结晶性，而且在形貌和结构上表现出显著的优势，这为其在电化学检测中的应用奠定了基础。

在电化学性能方面，研究团队利用循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）对不同比例（1:1、1:2、2:1）的AlB?@f-CB/GCE（玻璃碳电极）修饰电极进行了详细分析。实验结果表明，与未修饰的电极相比，AlB?@f-CB修饰电极表现出更低的电荷转移电阻（R_ct）和更高的电导率，这说明该材料能够显著增强电化学反应的效率。此外，该修饰电极在检测汞离子时表现出宽广的线性响应范围（0.03–2000 μM），其灵敏度达到0.6338 μA μM?1 cm?2，检测限（LOD）为0.0286 μM。这些数据表明，该传感器在检测汞离子方面具有极高的灵敏度和选择性，能够有效区分其他金属离子的干扰。

研究团队还对AlB?@f-CB修饰电极在真实环境样品中的检测性能进行了验证，包括工业废水、饮用水和河流水等。实验结果显示，该传感器在这些样品中表现出良好的稳定性和重复性，其相对标准偏差（RSD）值在97–99.6%之间，说明其检测结果具有较高的准确性和可靠性。此外，该传感器的检测过程具有较高的操作便捷性，适用于现场快速检测，避免了传统检测方法中复杂的样品预处理和昂贵的仪器设备需求。

铝硼化物（AlB?）和功能化碳黑（f-CB）的结合，不仅提升了材料的电化学性能，还拓展了其在环境监测中的应用潜力。铝硼化物因其良好的化学稳定性和环境兼容性，成为一种理想的传感材料。同时，功能化碳黑具有较高的比表面积和良好的导电性，能够有效促进电荷转移，提高检测效率。这种复合材料的合成方法采用了常见的元素如铝、硼和碳，无需使用昂贵的贵金属或有害化学品，使其在成本控制和环境友好性方面具有显著优势。

研究团队还探讨了该传感器在实际应用中的潜力，包括在工业废水处理、饮用水安全监测以及河流水质评估中的应用。随着环境问题的日益严峻，建立一种能够实时、高效、低成本地检测汞离子的传感器，对于保障生态环境和人类健康具有重要意义。此外，该传感器的可回收性和稳定性也为长期监测提供了便利，有助于减少资源浪费和环境污染。

综上所述，本研究成功开发了一种基于AlB?@f-CB/GCE的新型电化学传感器，该传感器在检测汞离子方面表现出优异的性能，包括宽广的线性响应范围、高灵敏度和良好的选择性。该传感器的合成方法简单、成本低廉，适用于环境监测的广泛应用场景。未来的研究可以进一步优化该传感器的性能，探索其在其他重金属离子检测中的应用潜力，以及开发更加便携、智能化的检测设备，以适应不同环境条件下的检测需求。