CuTe/Au@rGO气凝胶作为高效电催化剂，用于4-硝基甲苯的双模电化学-比色检测

纳米催化电极材料与颜色反应联用检测4-NT的高灵敏度研究

　　
本研究针对4-硝基甲苯（4-NT）的检测需求，提出了一种双模传感技术平台。该平台通过将铜基 telluride 复合材料与金纳米颗粒负载的石墨烯气凝胶结合，实现了电化学检测与比色法检测的协同应用。研究团队采用微流控技术制备了可穿戴的柔性电极，并通过多种表征手段验证了材料的结构稳定性与功能协同性。

环境监测领域对硝基芳香化合物的检测需求日益增长。4-NT作为工业中间体，其排放标准设定在0.1 mg/L，但实际环境中由于代谢转化和物理吸附可能形成更复杂的检测体系。传统检测方法存在灵敏度不足、样品前处理复杂等问题，特别是在复杂基质（如工业废水或土壤提取液）中的选择性检测成为技术瓶颈。本研究突破性地将电化学传感与纳米酶催化反应相结合，构建了多维度检测体系。

材料体系设计体现了多重创新。铜基 telluride 材料在电催化领域展现出独特优势，其层状晶体结构（面心立方与六方晶系复合）为电子传输提供了多路径通道，同时 tellurium 原子层的高配位特性形成了丰富的活性位点。通过水热法调控合成参数，成功制备了具有分级结构的 Cu2Te 纳米片阵列。这种结构在保持高比表面积（经 FESEM 观察显示 150-200 m2/g）的同时，实现了能带结构的优化，将电子跃迁能降低至 1.2 eV，显著提升了催化活性。

金纳米颗粒的引入构建了多级催化体系。Au NPs 的等离子体共振效应（ SPR 响应波长在 520 nm 附近）与 rGO-AG 的荧光淬灭特性形成互补。石墨烯气凝胶的制备采用冷冻干燥法，成功将二维 rGO 片层构筑成立体三维网络结构，孔隙率保持在 85% 以上，比表面积达到 450 m2/g。这种结构特性不仅增强了材料的机械强度（压缩强度测试显示 32 MPa），更创造了高达 2.1 × 10?3 S/cm 的导电率，为电化学检测提供了良好基础。

检测体系实现了双模协同效应。电化学模式采用三电极系统，在 pH 4.0 缓冲体系中，Cu2Te/Au@rGO-AG 复合材料对 4-NT 的还原电流响应表现出典型吸附-脱附特征。实验数据显示，在 0.029-521.8 μM 浓度范围内，电流响应值与目标物浓度呈现线性关系（相关系数 R2 > 0.99），检测限达到 7.9 nM，较传统电化学传感器灵敏度提升 3 个数量级。这种性能提升源于材料的三重协同作用：Cu2Te 的化学吸附活化（通过 XPS 检测到 Cu?/Cu2? 的可逆氧化还原过程）、Au NPs 的电子转移加速（DFT 计算显示 Au 表面能带匹配度达 78%）以及 rGO-AG 的三维吸附网络（SEM 观察到层状结构间形成 5-10 nm 的空腔）。

比色检测模块通过构建纳米酶催化循环实现。在 0.5% TMB（氯化三甲基苯胺）与 0.1% H2O2 组成的氧化还原体系中，Cu2Te/Au@rGO-AG 复合物将 4-NT 的硝基团还原为氨基，同时释放出活性氧物种（ROS）攻击 TMB 生成蓝色醌式结构。该过程在 30 分钟内完成色变反应，与 4-NT 浓度呈正相关（R2 = 0.96），检测限为 28 nM。荧光光谱分析显示，催化过程中 rGO-AG 的荧光强度从 450 nm 处的 0.82 F0 降至 0.35 F0，证实了材料活性位点的协同作用。

器件集成方面，采用柔性 PDMS 转移技术将复合催化剂印刷在 screen-printed 电极（SPE）基底上。电极直径 3 mm，厚度仅 85 μm，满足可穿戴设备要求。经 50 次循环测试，电流响应稳定性保持 >95%，表明材料具有优异的循环稳定性。在真实环境样本测试中（包含 10% 甲醇、0.1% NaCl 和 5% 某工业添加剂），检测性能下降幅度控制在 12% 以内，验证了器件的环境适用性。

该技术体系在多个场景展现出应用潜力：① 工业废水在线监测：通过将电极集成于管道法兰处，可实时监测流速为 0.5-2 L/min 的含 4-NT 污染水体，响应时间缩短至 8 秒；② 应急事故快速检测：现场便携式设备可于 15 分钟内完成 4-NT 定性筛查，误报率低于 2%；③ 多组分联用检测：实验表明该体系对 4-NT 与浓度相当的其他硝基苯类物质（如 2-NT）选择性分离度达 18:1，为复杂基质中目标物检测提供新思路。

研究同时揭示了材料性能的优化规律：当 Cu2Te 与 Au NPs 的质量比控制在 7:3 时，复合材料的比电容达到 158 mF/g（比单一组分提升 42%），这源于异质结界面的形成（XRD 分析显示 2θ=24.7° 和 27.6° 峰值强度提升 35%）；在 rGO-AG 的孔隙结构调控方面，冷冻干燥温度从 -60℃ 升至 -20℃可使孔径分布从 50-200 nm 调整至 20-80 nm，使吸附容量提升 2.3 倍（BET 测试数据）。

该成果对环境监测技术发展具有重要启示：通过构建“催化剂-载体-检测器”三级体系，不仅实现了检测灵敏度的跨越式提升，更开创了纳米材料多尺度协同应用的新范式。未来研究可进一步探索该体系在生物传感器、气体检测等领域的迁移应用，同时需要关注长期使用中的材料退化机制，特别是在高盐高有机物共存环境中的稳定性问题。