铁-铜-钴三元纳米立方体的便捷合成及其对硝基苯污染的高灵敏度电化学监测

针对硝基苯（NB）环境污染监测的难题，研究人员通过碳化双层层状铜钴普鲁士蓝类似物（CuCo PBA）并掺杂铁（Fe），成功制备了Fe/CuCo-NC纳米立方体电催化剂。该材料展现出优异的导电性和多孔结构，对NB的检测线性范围达0.5–2000 μM，检测限低至0.305 μM，为低成本、高灵敏度非贵金属传感器的设计提供了新思路。

　　

论文解读

硝基苯（NB）作为工业中广泛使用的淡黄色芳香族化合物，是炸药、香料和染料生产的关键中间体，但同时也是全球每年排放超1.2万吨的顽固性环境污染物。其通过氧化血红蛋白引发急性中毒，长期接触可导致溶血性贫血和肝损伤，被多国列为“重点管控污染物”。传统检测方法如色谱法和质谱法成本高昂且操作复杂，而现有电化学传感器多依赖贵金属材料。如何开发低成本、高灵敏的非贵金属传感器成为环境监测领域的重大挑战。

河北大学的研究团队创新性地利用双层层状铜钴普鲁士蓝类似物（CuCo PBA）为前驱体，通过氮气氛下碳化制备多孔铜钴衍生纳米立方体（CuCo-NC），再经铁掺杂得到Fe/CuCo-NC复合材料。该材料通过Cu、Co、Fe的协同作用，实现了对NB的宽线性范围（0.5–2000 μM）和超低检测限（0.305 μM）检测，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

关键技术方法

1. 双层层状CuCo PBA合成：采用K₃
   [Co(CN)₆
   ]与Cu(NO₃
   )₂
   ·3H₂
   O共沉淀法构建立方前驱体；
2. 氮气氛碳化：400℃下将PBA转化为多孔碳基材料CuCo-NC，提升导电性；
3. 铁掺杂改性：通过搅拌将Fe引入CuCo-NC，优化电子结构；
4. 电化学性能测试：采用三电极体系评估NB检测灵敏度与选择性。

研究结果

1. 材料形貌与结构
   扫描电镜（SEM）显示原始CuCo PBA为表面光滑的双层立方体（图1A），碳化后形成粗糙多孔结构（图1B），透射电镜（TEM）证实Fe均匀分布在CuCo-NC中。X射线衍射（XRD）表明碳化后保留了立方晶型，Fe掺杂未破坏主体框架。

2. 电化学性能
   循环伏安法（CV）显示Fe/CuCo-NC对NB的还原峰电流显著增强，差分脉冲伏安法（DPV）证实其检测限较未掺杂材料降低83%。选择性实验表明，该材料对NB的响应不受苯酚、重金属离子等干扰物影响。

3. 机理分析
   X射线光电子能谱（XPS）揭示Fe的引入导致Cu 2p和Co 2p轨道结合能偏移，证实三者电子耦合效应。密度泛函理论（DFT）计算表明Fe位点优先吸附NB分子中的硝基，加速电子转移。

结论与意义
该研究通过精准设计Fe/CuCo-NC三元纳米立方体，解决了传统NB传感器依赖贵金属的瓶颈问题。碳化工艺赋予材料高导电性和多孔特性，而Fe掺杂进一步优化了活性位点分布，其检测性能达到国际先进水平。这项工作不仅为环境污染物监测提供了经济高效的解决方案，更为多金属协同催化剂的开发提供了范式，推动电化学传感技术向低成本、高性能方向发展。