通道工程化碳分子筛的异质模板法制备及其对对硝基苯酚的超灵敏电化学监测

本研究针对环境污染物对硝基苯酚(p-NP)的高灵敏度检测需求，通过无机分子筛模板热解有机分子的创新策略，开发了具有有序介孔结构和高石墨化程度的碳分子筛(CMS)。该材料修饰的电极(CMS/GCE)实现了p-NP在2.0-1000 μM范围内的线性检测，检出限低至0.2 μM，并展现出优异的抗干扰能力，为环境监测提供了新材料平台。

　　

环境污染物的精准监测一直是环境科学领域的重大挑战。对硝基苯酚(p-Nitrophenol, p-NP)作为美国环保署(USEPA)列出的持久性有毒污染物，其在水体中的浓度需严格控制在μg/L级别。传统检测方法面临灵敏度不足、抗干扰能力差等技术瓶颈。与此同时，多孔碳材料虽在电化学传感领域展现出潜力，但常规模板法合成的材料往往存在孔隙结构单一、导电性不佳等问题。如何通过材料创新实现环境毒物的高灵敏检测，成为亟待解决的科学问题。

福建农林大学的研究团队在《Microchemical Journal》发表的研究中，提出了一种基于[Al(B₄O₉)(BO)]·H₂en分子筛的异质模板策略，成功制备出具有有序介孔结构的碳分子筛(Carbon Molecular Sieve, CMS)。该材料通过高温热解分子筛-有机分子复合前驱体，并辅以酸洗去除无机模板，最终获得的CMS不仅完美复制了分子筛的通道结构，还具备高度石墨化的特性。研究团队将该材料应用于玻碳电极(GCE)修饰，构建的CMS/GCE传感器对p-NP表现出超灵敏响应，检测限远低于中国GB3838-2002标准要求，为环境污染物监测提供了创新解决方案。

关键技术方法包括：1) 分子筛模板浸渍有机分子的前驱体制备；2) 惰性气氛下高温热解获得碳骨架；3) 盐酸蚀刻去除无机模板；4) 材料表征采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱等技术；5) 电化学检测采用循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)评估性能。

CMS材料表征
TEM显示CMS具有独特的蜂窝状空腔结构，比表面积达382 m²/g。XRD在23°和43°出现典型碳材料衍射峰，证实其高度石墨化特性。拉曼光谱的I_D/I_G比值为0.87，表明材料存在适量结构缺陷。XPS分析显示CMS表面含81.3% sp²杂化碳，这种电子离域体系为电催化提供了活性位点。

电化学性能研究
在0.1 M PBS缓冲液(pH 7.0)中，CMS/GCE对100 μM p-NP的氧化峰电流达到裸GCE的3.2倍。电子转移速率常数(k_s)经测算为0.45 cm/s，显著高于常规碳材料。优化条件下，DPV响应在2.0-1000 μM范围内呈线性关系，灵敏度达1.74 μA/μM·cm^-2。即使存在100倍浓度的NO₃^-、SO₄^2-等干扰物，信号偏差仍<5.1%。

实际样品检测
在加标水样检测中，回收率保持在89.78-92.00%之间，相对标准偏差(RSD)为2.74-5.1%，验证了方法的可靠性。与已报道的碳纳米管、硅胶等材料相比，CMS/GCE的检测限降低了一个数量级。

这项研究通过分子筛模板工程实现了碳材料孔隙结构的精准调控，所开发的CMS兼具有序介孔和高导电性的优势。特别值得注意的是，材料制备过程中分子筛的矩形通道(2.3×5.6 ?)为碳原子提供了独特的限域生长环境，这是传统MOF模板难以实现的。研究不仅为p-NP监测提供了高性能传感器，更开创了通过无机晶体模板设计功能碳材料的新思路。未来通过调控分子筛类型和有机前驱体，可进一步拓展该方法在能源存储、催化等领域的应用。正如通讯作者Xinyu Zheng团队强调的，这种"结构复制"策略为功能材料的定向设计提供了普适性方案。