新型自组装硫化钴纳米棒/还原氧化石墨烯纳米催化剂用于4-硝基酚双重传感的高效平台

《RSC Advances》：Novel self-assembled cobalt sulfide nanorods/reduced graphene oxide as an efficient nano-catalyst for dual sensing of 4-nitrophenol

本研究针对4-硝基酚（4-NP）这一高危环境污染物，开发了一种基于废弃塑料衍生rGO与CoS-NR复合的电化学传感器。通过协同效应，该传感器实现了高灵敏度（0.118 μA μM?1）、低检测限（2.4 μM）及优异稳定性，为可持续环境监测提供了新策略。

　　

随着工业快速发展，酚类化合物尤其是4-硝基酚（4-NP）通过塑料制造、农药合成等途径大量进入水体，被美国环境保护署列为优先污染物。其高水溶性和强毒性（如致癌性、肝肾损伤）对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统检测方法成本高、操作复杂，难以满足实时环境监测需求。因此，开发高效、低成本且环保的传感平台成为当前研究重点。

在此背景下，研究人员提出利用回收塑料衍生的还原氧化石墨烯作为导电基质，结合通过简单化学路线合成的硫化钴纳米棒，构建CoS-NR/rGO复合电极，用于4-NP的双重电化学检测。该工作发表于《RSC Advances》，通过纳米结构设计与可持续材料创新，实现了污染物检测性能与环境友好性的平衡。

研究采用以下关键技术方法：

1. 1.
   材料合成与表征：通过球磨与热处理制备CoS-NR，利用塑料废弃物热解生成rGO；通过SEM、TEM、XRD、Raman、XPS等技术分析材料形貌、晶体结构及化学组成。
2. 2.
   电极制备与优化：将CoS-NR与rGO按1:1质量比混合，以PVDF为粘结剂涂覆于玻碳电极表面，通过响应表面方法论优化pH、浓度、扫描速率等检测参数。
3. 3.
   电化学性能评估：采用循环伏安法在0.1 M PBS（pH 7）中测试传感器对4-NP的催化还原性能，计算灵敏度、检测限及稳定性。

表面形貌与结构分析

SEM和TEM显示CoS-NR呈均匀棒状结构锚定于rGO片层上，形成高比表面积复合物（图1-2）。XRD证实CoS为六方相，rGO呈现典型(002)宽峰；Raman光谱中D/G带及CoS特征振动模式进一步验证复合界面相互作用（图3）。

化学组成与相互作用

FTIR表明rGO的含氧官能团与CoS-NR间存在强氢键，4-NP吸附后光谱红移，证实其通过–NO₂和–OH基团与复合材料结合（图4）。XPS显示Co²⁺/Co³⁺、S^2?和sp²碳的共存，说明元素均匀分布与化学键合（图5）。

电化学传感性能

CoS-NR/rGO电极在4-NP还原中表现出显著协同效应：还原峰电流显著高于单一组分，峰值负移表明催化活性增强（图6）。在pH 7、扫描速率100 mV s^?1时，灵敏度达0.118 μA μM^?1，检测限为2.4 μM，线性范围覆盖10–100 μM（图7）。RSM优化显示高浓度与扫描速率下响应最佳，且电极在10次循环后保持92%活性，21天内稳定性超过93%（图8）。

反应机制与参数优化

4-NP在电极表面经历四电子四质子还原路径，生成羟胺中间体（图9）。pH影响实验表明近中性条件利于质子参与反应，碱性环境中静电排斥降低效率。ANOVA分析确认4-NP浓度与扫描速率对响应影响显著（p < 0.05），模型拟合优度R²达0.9860（表1）。

本研究成功构建了一种基于废弃塑料衍生rGO与CoS-NR的可持续电化学传感器，通过界面工程与协同催化实现了4-NP的高效检测。该平台不仅具备高灵敏度、低检测限和优异稳定性，更通过废物资源化降低了成本，为环境中酚类污染物的实时监测提供了可行方案。未来通过表面修饰或组分优化，有望进一步提升性能至饮用水安全标准以下，推动绿色分析技术发展。