综述：生物质水热碳化过程中产生的工艺水：对其特性、应用及未来研究方向的综述

《Journal of Water Process Engineering》：Process water from the hydrothermal carbonization of biomass: A review on the characterization, applications, and potential for future work

本研究通过不同温度（350°C和500°C）碳化ZIF-67制备Co-N/C多面体材料，发现500°C处理的Co-N/C材料在电化学检测Cr3?时具有最高灵敏度（240±0.04 μA/μM·cm2）和最低检测限（412 nM），其高孔隙率和表面氮/钴协同效应显著提升催化性能与选择性，同时表现出优异稳定性和重复性。

　　在现代工业和环境监测领域，重金属离子污染已成为一个亟待解决的全球性问题。这些金属离子，如汞（Hg2?）和铬（Cr3?），不仅对生态系统造成严重威胁，还可能对人体健康产生深远影响。因此，开发一种快速、准确、且具备高灵敏度的检测方法显得尤为重要。传统的检测技术，如液相或气相色谱-质谱联用技术（LC-MS 或 GC-MS），虽然在实验室环境中具有较高的检测精度，但它们通常依赖昂贵的设备、专业人员和集中式的实验条件，这限制了其在实际现场应用中的可行性。为了克服这些限制，近年来研究者们转向了便携、操作简便、成本低廉的电化学传感器技术，这种技术能够直接测量由氧化还原反应产生的电信号，从而实现对金属离子的定量分析。

电化学传感器因其卓越的定量能力、高灵敏度、低检测限以及良好的重复性，被广泛应用于重金属离子的检测中。例如，碳黑修饰的电极能够将药物青霉胺的检测灵敏度提高294倍，而金纳米颗粒-石墨烯传感器可以检测到74纳米摩尔级别的肼。此外，电化学传感器还能在减少有毒溶剂使用的同时，满足可持续发展的目标，使其成为环境监测和污染检测的有力工具。

在众多材料中，金属有机框架（MOFs）因其独特的结构特性，如可调的组成、均匀的孔隙结构、丰富的表面活性位点等，被广泛研究用于电化学传感领域。其中，ZIF-67作为一种具有类似沸石拓扑结构的MOFs，因其优异的化学稳定性和多样的应用前景，成为制备多种纳米材料的优良前驱体。ZIF-67由钴离子（Co2?）与2-甲基咪唑配体通过配位作用构建而成。在特定的惰性气氛（如氮气或氩气）下，对ZIF-67进行高温处理，可以将其转化为氮掺杂的碳基材料，即Co-N/C。这种转化过程不仅保留了原始材料的结构优势，还通过引入氮元素，提升了材料的电化学活性。

研究发现，通过在不同温度下对ZIF-67进行碳化处理，可以显著改变其物理和化学特性。在350°C和500°C两种碳化条件下制备的Co-N/C材料均表现出良好的结构特性。特别是500°C碳化后的Co-N/C材料，其孔隙结构更加发达，形成了具有高比表面积的多孔碳材料，为金属离子的吸附和还原提供了更多的活性位点。同时，氮掺杂增强了材料的导电性和电子传输能力，使得其在电催化反应中表现出更高的效率。这些特性使得Co-N/C材料成为电化学传感器的理想电极材料。

为了进一步评估Co-N/C材料的性能，研究人员通过多种分析手段对其进行了详细的表征。扫描电镜（FESEM）图像显示，经过碳化处理的Co-N/C材料呈现出独特的多面体形貌，其结构在高温处理后变得更加多孔化。X射线衍射（XRD）分析证实了ZIF-67在碳化过程中的结构变化，揭示了其向Co-N/C材料的转化过程。此外，拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）分析提供了关于材料碳结构、缺陷分布以及氮和氧的化学状态等重要信息。这些表征手段共同验证了Co-N/C材料在结构和化学组成上的优势，为后续的电化学性能评估奠定了基础。

电化学性能测试结果显示，Co-N/C@500°C材料在检测Hg2?和Cr3?离子方面表现出优异的性能。通过循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）测量，研究人员发现Co-N/C@500°C修饰的玻碳电极（GCE）在Cr3?离子检测中显示出显著的电流响应，其灵敏度达到了约240 ± 0.04 μA/μM·cm2，检测限（LOD）约为412 nM。相比之下，Co-N/C@350°C材料虽然也表现出一定的电化学活性，但其灵敏度和检测性能略逊一筹。这一结果表明，高温碳化不仅能够增强材料的导电性，还能通过形成更丰富的孔隙结构和更稳定的氮掺杂，提升其在电化学传感中的表现。

此外，研究还评估了Co-N/C@500°C材料在检测过程中的选择性和稳定性。结果显示，该材料在多种重金属离子的检测中表现出良好的选择性，能够有效区分目标离子与其他干扰离子。例如，在检测Cr3?时，其电流响应显著高于其他离子，如Mn2?和Pb2?，这表明其在实际应用中具备较强的抗干扰能力。同时，通过多次循环伏安测试，研究人员确认了该材料在长时间使用下的稳定性，其电化学信号在100次循环后仍能保持较高的重现性，说明其在实际检测中的可靠性和耐久性。

为了进一步理解Co-N/C@500°C材料在电化学检测中的作用机制，研究者们分析了其在检测过程中的反应路径。在检测过程中，金属离子首先被吸附到材料的表面，随后在电极的催化作用下发生氧化还原反应，产生可检测的电流信号。氮掺杂的碳结构提供了丰富的电子供体位点，而钴纳米颗粒则作为主要的电催化活性中心，两者协同作用，显著提高了材料的电催化性能。这种协同效应不仅促进了电子的快速传输，还增强了材料对金属离子的吸附能力，使其在检测过程中表现出更高的灵敏度和更低的检测限。

研究结果表明，通过优化碳化温度，可以有效提升Co-N/C材料的电化学性能，使其在重金属离子检测中展现出卓越的潜力。这种材料不仅具备良好的物理和化学特性，还能够通过其独特的结构设计，实现对多种重金属离子的高效检测。其高比表面积和丰富的孔隙结构为金属离子的吸附和反应提供了理想的环境，而氮和钴的协同作用则显著增强了材料的电催化活性。这些特性使得Co-N/C@500°C材料成为一种理想的电化学传感器材料，具备广阔的应用前景。

总的来说，这项研究通过将ZIF-67材料在不同温度下进行碳化处理，成功制备出具有优异电化学性能的Co-N/C多面体结构材料。通过系统地评估其结构、表面特性和电化学性能，研究人员发现，Co-N/C@500°C材料在检测Hg2?和Cr3?离子方面表现出卓越的灵敏度、选择性和稳定性。这不仅为重金属离子的现场检测提供了新的解决方案，也为开发更加环保和高效的电化学传感器开辟了新的研究方向。未来，这种材料有望在环境监测、工业安全和公共健康等领域发挥重要作用，为重金属污染的控制和治理提供技术支持。