抗坏血酸水热碳化法制备小尺寸碳纳米球增强铜纳米晶电化学传感器性能研究

本研究针对Cu纳米晶易聚集导致传感器性能下降的问题，通过抗坏血酸水热碳化法（HTC）制备小尺寸碳纳米球[C(s) Ns]作为载体，构建C@Cu Ns复合传感器材料。结果表明，C(s)@Cu-8%对葡萄糖、亚硝酸钠和甲醛的检测灵敏度较纯Cu纳米晶提升1.94-3.49倍，且能直接检测实际样品中的NaNO2和糖分，为低成本多功能传感器开发提供新思路。

　　

论文解读
亚硝酸盐（NO₂^?）和甲醛作为食品添加剂潜藏致癌风险，而高血糖与慢性病密切相关。当前电化学传感器虽响应快速，但纯铜纳米晶（Cu Ns）易聚集导致活性位点减少，且检测线性范围有限。南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室的Xinmei Liu和Boen Zheng团队创新性地利用抗坏血酸（AA）水热碳化法制备小尺寸碳纳米球[C(s) Ns]，通过表面限域效应负载铜纳米晶，显著提升传感器性能。

研究采用低温水热碳化法（<120°C）合成C(s) Ns，以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）调控尺寸，再通过液相还原原位沉积Cu纳米晶。通过透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料结构，结合循环伏安法（CV）和计时电流法评估传感性能。

结果与讨论

1. 材料特性：C(s) Ns形成三维导电网络，其表面丰富的含氧官能团促进Cu纳米晶的原子级分散，抑制迁移聚集。TEM显示C(s)@Cu-8%中Cu粒径约15 nm，均匀锚定在80 nm碳球表面。
2. 传感性能：在碱性介质中，C(s)@Cu-8%对葡萄糖和甲醛的灵敏度分别达纯Cu的1.94倍和3.06倍；中性条件下对NaNO₂的灵敏度提升3.49倍，线性检测范围扩展至200 mM。
3. 机制分析：碳球的高比表面积加速电子转移，Cu(III)/Cu(II)氧化还原对与C(s) Ns协同促进反应物脱附，关键中间体（如CuOOH）稳定性提高。
4. 实际应用：该传感器成功检测饮用水中的NaNO₂（回收率98.2-102.4%）和雀巢咖啡的糖分，抗干扰实验表明对Cl^?、HCO₃^?等共存离子具有选择性。

结论与意义
该研究通过尺寸可控的C(s) Ns载体优化Cu纳米晶分散性，实现"一材多用"的高效检测。相较于贵金属复合材料，成本降低60%以上，且无需惰性气体保护，适合规模化生产。发表于《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》的这项工作，为食品安全监测和代谢疾病管理提供了经济高效的解决方案，尤其适用于资源有限地区的现场快速检测。