镍基纳米MOF与石墨烯复合材料用于高效、稳定且无需酶辅助的过氧化氢电化学检测

《Surfaces and Interfaces》：Ni Based Nano MOF and Graphene Composite for Facile, Highly Efficient and Stable Non-Enzymatic Electrochemical Sensing of Hydrogen Peroxide

镍基纳米MOF与石墨烯复合材料的液相外法制备及其在非酶电化学过氧化氢检测中的应用，通过超声处理获得的高性能传感器具有78.4 μA·mm?1·cm?2灵敏度、1.0-37 mM宽线性范围、快速响应及优异稳定性和选择性。

　　

Tania P. Brito | Priscila Caces | Carolina Manquian | Adrián Jara | Dinesh P. Singh

智利圣地亚哥大学（USACH）理学院物理系，地址：Avenida Victor Jara 3493, Estación Central, Santiago, 9170124, 智利

摘要

本研究提出了一种简便且适用于体外环境的合成方法，用于制备基于镍的金属有机框架（Metal-Organic Framework, nanoMOF）与石墨烯（Graphene）的纳米复合材料（G/nanoMOF-Ni），并利用超声处理技术实现了对过氧化氢（H?O?）的高效电化学检测。该电流传感器采用玻璃碳电极（GCE）作为基底，并经过改性处理，添加了纳米MOF-Ni混合材料。通过简单的滴涂工艺制备了这种传感器。实验研究了不同纳米MOF-Ni与石墨烯（G）比例的复合材料的电化学性能，结果表明，在混合材料中石墨烯占比较高时，纳米MOF-Ni的活性位点并未受到影响。电化学分析显示，GCE/G/nanoMOF-Ni传感器在过氧化氢氧化反应中表现出优异的催化活性，灵敏度为78.4 μAmM?1cm?2，响应时间快，检测范围宽（1.0 mM至37 mM）。此外，该传感器在常温条件下具有较好的稳定性，并对多种干扰物质具有显著的选择性。

章节摘要

引言

目前，过氧化氢（H?O?）在众多技术和工业领域得到了广泛应用，如作为氧化剂、杀菌剂和漂白剂，应用于纺织品、造纸、燃料电池、环境监测以及食品工业等领域[1,2]。此外，H?O?还是涉及葡萄糖、胆固醇和乳糖等生物分析物的酶促反应的副产物[3,4]，因此对其定量分析具有重要意义。

材料

实验中使用的所有化学品和试剂均为分析级。1,4-二氰苯、叠氮化钠、六水合氯化锌、四丁基氢氧化铵溶液（40%）、石墨粉（>99%）、95%-98%硫酸、30% ACS级过氧化氢、99%抗坏血酸、99%氢氧化钠、尿酸（>99%）、尿素、99.44%高锰酸钾、0.2% Nafion膜、85%磷酸和氯化钠均购自Sigma-Aldrich公司。70% ACS级硝酸则来自Fermont公司。

结果与讨论

本研究通过快速简便的体外合成方法制备了基于石墨烯（G）和纳米MOF-Ni的复合材料（G/nanoMOF-Ni），避免了长时间高温处理。合成过程中，纳米MOF-Ni与石墨烯的前驱体按30:70的重量比混合。采用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等技术对材料的结构、形态和元素组成进行了分析。

结论

我们开发了一种新型传感器，通过将玻璃碳电极（GCE）与纳米MOF-Ni混合材料修饰，实现了过氧化氢的电催化氧化检测。纳米MOF-Ni通过水热法制备，具有均匀的形态和纳米级的粒径。G/nanoMOF-Ni复合材料的制备过程简单快捷，且能够有效保留各组分的原有结构。实验结果表明，该纳米复合材料在过氧化氢检测中表现出优异的性能。

支持信息

实验细节包括：纳米MOF-Ni中碳、氮和镍的能谱分析；石墨烯中碳和氧的能谱分析；(a) G/nanoMOF-Ni复合材料、(b) 纳米MOF-Ni、(c) 石墨烯的能谱数据；在有无过氧化氢条件下GCE/G的电位循环伏安图；不同NaOH浓度下GCE/G/nanoMOF-Ni电极的性能；以及在不同扫描速率（mVs?1）下GCE/nanoMOF-Ni电极对1.0 mM过氧化氢添加的电流响应情况（PDF文件）。

作者贡献

T.P.B.：概念构思、数据整理、数据分析、方法研究、资源调配、结果验证、可视化处理、初稿撰写及修订

P.C.：数据整理、方法研究、结果验证

C.M.：概念构思、数据分析、方法研究、结果验证、可视化处理、初稿撰写及修订

A.J.：数据整理、数据分析、方法研究、结果验证、可视化处理、初稿撰写及修订

D.P.S.

作者声明

作者声明不存在任何利益冲突。

数据可用性声明

所有支持研究结果的数据均可根据要求提供给通讯作者。

创新性声明

标题：基于镍的纳米MOF与石墨烯复合材料用于简便、高效且稳定的非酶法过氧化氢电化学检测

本文报道了一种新型的体外合成混合材料，由基于镍的纳米MOF与石墨烯组成。该复合材料在电化学过氧化氢传感器领域尚未被研究过。稳定性测试表明，该传感器对常见干扰物质具有出色的耐久性。

CRediT作者贡献声明

Tania P. Brito：初稿撰写及修订、结果验证、方法研究、数据整理、概念构思

Priscila Caces：结果验证、方法研究、数据整理

Carolina Manquian：修订稿撰写、可视化处理、结果验证、方法研究、数据分析、概念构思Adrián Jara：修订稿撰写、可视化处理、结果验证、方法研究、数据分析

利益冲突声明

“我没有任何需要声明的利益冲突。”

致谢

本研究得到了智利国家科学基金会（ANID）Millennium Science Initiative Program ICN17_012、ANID-Fondecyt Regular 1231714项目以及ANID-Fondecyt Postdoctorado 3240636项目的资助。