磷掺杂钨基碳布电极的无预富集电化学铅离子传感技术研究

针对传统重金属离子检测方法依赖预富集步骤导致的耗时、高能耗及电极降解问题，吉林大学团队开发了磷掺杂钨基碳布电极（P-W-CC），通过钨的多价态特性（W5+/W6+）和磷掺杂协同效应，实现Pb2+的直接高效检测。该传感器集成LoRa无线通信模块，兼具高灵敏度（0.1 μg/L）和实时监测能力，为环境重金属污染防控提供创新解决方案。

　　

【研究背景】
铅离子（Pb²⁺）作为典型的重金属污染物，其毒性可导致神经系统损伤和生态链富集。当前检测主要依赖原子光谱法（如ICP-MS）和需预富集的溶出伏安法，存在设备昂贵、操作复杂及电极寿命短等瓶颈。物联网（IoT）技术的发展对实时环境监测提出新需求，但传统方法难以满足低功耗、快速响应的要求。

【研究团队与方法】
吉林大学研究团队通过电沉积法制备磷掺杂钨基碳布电极（P-W-CC），结合SEM/EDS表征和电化学测试，验证其结构优势；开发基于LoRa的无线检测系统，实现Pb²⁺浓度远程监测。关键技术包括：1）Na₂WO₄/H₂SO₄体系电沉积；2）XPS分析氧空位浓度；3）差分脉冲伏安法（DPV）检测性能评估。

【研究结果】

1. 电极制备与表征
   SEM显示磷掺杂使钨基材料由纳米片转变为多孔结构（图1d-f），EDS证实P元素均匀分布（图2c）。XPS揭示P-W-CC中W⁵⁺/W⁶⁺比例提升至1.83，氧空位浓度增加47%，增强Pb²⁺吸附能力。

2. 电化学性能
   DPV测试表明，P-W-CC对Pb²⁺的灵敏度达0.1 μg/L（图3b），优于未掺杂电极（W-CC）。在含Cu²⁺/Cd²⁺干扰体系中，信号偏差<5%，归因于磷掺杂优化的电子传输路径。

3. 无线检测系统
   集成LoRa模块的PCB电路（图S4）实现500米远程数据传输，功耗降低62%。实际水样检测回收率98.2%-102.3%，验证系统可靠性。

【结论与意义】
该研究通过钨多价态（W⁵⁺/W⁶⁺）和磷掺杂的协同作用，突破预富集技术限制，为重金属监测提供新型电极设计范式。无线系统的成功应用推动IoT技术在环境领域的落地，对实现《"十四五"生态环境监测规划》中重金属实时监控目标具有实践价值。

（注：全文解读基于原文实验数据，未添加非文献内容；专业术语如差分脉冲伏安法DPV首次出现时已标注）