抗坏血酸改性MXene-T...电化学检测对硝基酚综合实验_江吉周.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-08-02 基金项目:中国高等教育学会 2022 年度“实验室管理研究”专项课题（21SYYB03）作者简介:江吉周（1985），男，湖北武汉，博士，特聘教授，主要从事新型二维材料制备及其光/电催化和光/电器件等方面研究，。通信作者：王海涛（1992），男，湖北武汉，博士，校聘副教授，主要从事二维碳基复合材料的设计、合成及其在光电催化领域中的应用研究，。引文格式:江吉周，王海涛，邹菁，等.抗坏血酸改性 MXene-Ti3C2的制备及其电化学检测对硝基酚综合实验J.实验技术与管理,2023,40(2):80-84.Cite this article:JIANG J Z,WANG H T,ZOU J,et al.Comprehensive experiment on preparation of ascorbic acid modified MXene-Ti3C2 and its application in electrochemical detection of p-nitrophenolJ.Experimental Technology and Management,2023,40(2):80-84.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.013 抗坏血酸改性 MXene-Ti3C2的制备及其 电化学检测对硝基酚综合实验 江吉周，王海涛，邹 菁，陈 伟，袁 华，余军霞，孔海霞（武汉工程大学 环境生态与生物工程学院 化学与环境工程学院 国家级环境与化工 清洁生产实验教学中心，湖北 武汉 430205）摘 要：该文设计了一个抗坏血酸改性 MXene-Ti3C2（MXene/VC）制备及其电化学检测对硝基酚综合研究型实验。首先通过酸刻蚀碳化铝钛（Ti3AlC2）中的 Al 物质，合成 MXene-Ti3C2样品，然后使用抗坏血酸（VC）作为修饰剂，对 MXene-Ti3C2进行 VC 的改性处理，制得 MXene/VC，再对 MXene/VC 进行红外光谱、扫描电镜和 X-射线光电子能谱表征，最后采用差分脉冲伏安（DPV）测试法对 MXene/VC 电化学检测对硝基酚活性进行系统分析。实验过程包括文献调研、材料制备、微观表征、电化学传感性能测试和实验报告撰写等多个环节，有利于学生综合素质的提升。关键词：抗坏血酸；Ti3C2；电化学传感；对硝基酚；综合实验 中图分类号：O657.1；X832 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)02-0080-05 Comprehensive experiment on preparation of ascorbic acid modified MXene-Ti3C2 and its application in electrochemical detection of p-nitrophenol JIANG Jizhou,WANG Haitao,ZOU Jing,CHEN Wei,YUAN Hua,YU Junxia,KONG Haixia(National Environmental and Chemical Cleaner Production Experimental Teaching Center,School of Chemistry and Environmental Engineering,School of Environmental Ecology and Biological Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430205,China)Abstract:A comprehensive research experiment was designed for the preparation of ascorbic acid modified MXene Ti3C2(MXene/VC)and its application in electrochemical detection of p-nitrophenol.Firstly,the Al species of Ti3AlC2 was removed by acid-etching to synthesize MXene-Ti3C2.Secondly,the MXene/VC material was fabricated by modifying MXene-Ti3C2 with VC.Subsequently,the MXene/VC material was characterized by infrared spectroscopy,scanning electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy.Finally,the differential pulse voltammetry(DPV)method was employed to systematically analyze the electrochemical detection of p-nitrophenol.The whole experimental process included multiple steps,such as literature consult,material preparation,microscopic characterization,electrochemical sensing performance testing and experimental report writing,which is conducive to the improvement of students comprehensive quality.Key words:ascorbic acid;Ti3C2;electrochemical sensor;p-nitrophenol;comprehensive experiment 江吉周，等：抗坏血酸改性 MXene-Ti3C2的制备及其电化学检测对硝基酚综合实验 81 1 背景 对硝基酚（p-NP）属于硝基芳香化合物，是一种最具危害性和毒性的硝基酚类物质1，但却是农药、除草剂、石油化工、炸药、药品、合成染料等工农业必需品的主要成分2。p-NP 较强的化学稳定性和抗降解性，使其可在水体和土壤中长期存在，从而造成不可避免的环境污染问题3-5。p-NP 还很容易通过生物积累被动植物富集，进而对人类和动植物造成严重危害6，人体摄入微量 p-NP 就会引起头痛、嗜睡、恶心等症状。因此，建立一种简单、灵敏且高效的分析方法，实现痕量 p-NP 测定是十分必要的。电化学分析方法具有成本低廉、灵敏度高、选择性好等优点，在污染物检测领域受到广泛关注7。电化学传感技术是一种根据目标分子与识别元件发生氧化还原反应而产生的电化学信号，来实现目标底物定量检测的方法。其中，电极修饰材料的设计与合成，是构建高灵敏电化学传感器的关键8。因此，开发高效、灵敏的电极修饰材料尤为重要。MXene 材料是一类具有二维层状结构的过渡金属碳氮化物材料，具有面内电导率高、表面积大及金属导电性好等优异的物理性质，在储能、电磁干扰屏蔽、复合材料、传感器、催化等领域有着较为广泛的应用前景9-11。此外，MXene 材料表面丰富终端基团的存在，使其拥有较强的亲水性能，从而表现出潜在的电化学传感应用前景12-13。为了使环境、材料和化学等相关专业高年级本科生紧跟科学前沿、提升科研能力，本文设计了一种能够实现 p-NP 痕量电化学检测的 MXene 电极材料的制备实验。该实验不仅涉及样品制备、材料表征、数据分析、电化学测试等多个方面，而且还包括文献调研、实验操作、条件优化、分析检测等科学研究环节。通过本实验，能够使学生对 MXene 材料的结构和性质产生直观且深入的认识，激发科研兴趣，还可通过文献查阅、实验设计、材料合成、统筹协调、数据分析、报告撰写等环节，显著增强学生的自主创新意识、科研创新能力和团队协作精神。2 实验试剂与仪器 2.1 实验试剂 氟化锂（LiF）、盐酸（HCl）、无水乙醇、碳化铝钛（Ti3AlC2）、抗坏血酸（VC）、醋酸（HAc）、醋酸钠（NaAc）、铁氰化钾（K3Fe(CN)6）、硫酸（H2SO4）、Nafion 溶液（5 wt%）、异丙醇（IPA，C3H8O）、超纯水，均为分析纯，超纯水由实验室超纯水机自制。2.2 实验仪器 台式高速离心机、超声清洗机、集热式恒温加热磁力搅拌器、实验室 pH 计、电子分析天平、真空干燥箱、上海辰华 CHI760E 电化学工作站。3 实验内容 3.1 初始 MXene-Ti3C2材料（MXene）的合成 在 10 mL 物质量、浓度为 9 molL1的 HCl 溶液中加入 0.8 g 的 LiF 粉末，持续搅拌 0.5 h，直至 LiF完全溶解。然后称取 0.5 g Ti3AlC2粉末置于上述混合溶液中，在 30 温度下持续反应 36 h 后，水醇交替（超纯水和乙醇交替）洗涤直至洗涤液 pH 为 7 为止，最后将所得样品置于 60 干燥箱中，真空干燥 12 h，得到黑色 MXene-Ti3C2粉末样品，记为 MXene。3.2 抗坏血酸改性 MXene-Ti3C2（MXene/VC）的制备 首先将 3.1 节中所得的 MXene 置于装有 30 mL 水的烧杯中，超声分散 0.5 h，获得 MXene 黑色分散液。然后称取 0.2 g 抗坏血酸（VC）加入上述分散液中，在 37 温度下持续搅拌 6 h 后，水醇交替洗涤 3 次。最后将洗涤所得样品置于 60 干燥箱中，真空干燥12 h，得到抗坏血酸改性的 MXene-Ti3C2黑色粉末样品，记为 MXene/VC。3.3 材料的表征 使用扫描电子显微镜（SEM，JSM5510LV、日本电子株式会社）对所得样品的微观形貌进行表征；使用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR，Nicolet 6700，美国赛默飞世尔科技有限公司），分析所得材料的物相结构；使用 X 射线光电子能谱仪（XPS，ESCALAB Xl），探究所得样品的化学组成以及各元素间的化学键型。3.4 电化学检测对硝基酚的传感性能 所有电化学检测实验均在室温下进行，采用三电极体系（对电极、辅助电极、工作电极），以 MXene和 MXene/VC 修饰的玻碳电极（GCE，直径为 3 mm）为工作电极，铂电极为对电极，Ag/AgCl 电极（内部封装饱和氯化钾溶液）为参比电极，采用 pH 为 5.5的 NaAc-HAc 缓冲溶液作为电解液。工作电极的制备过程如下。首先用粒径为 0.05 m的氧化铝纳米颗粒打磨 GCE，之后用去离子水冲洗电极上残留的抛光粉，再将冲洗干净的 GCE 依次在K3Fe(CN)6和 H2SO4溶液中进行循环伏安扫描测试，确定 GCE 表面是否干净且无杂质，然后在 GCE 表面滴涂 10 L 的 MXene 或 MXene/VC 悬浮液进行修饰，最后在红外干燥灯下烘干，在含有 p-NP 的 NaAc-HAc缓冲溶液中进行差分脉冲伏安（DPV）测试。MXene及 MXene/VC 悬浮液的制备过程为：称取 5 mg MXene或 MXene/VC 粉末样品，在 0.02 mL 的 Nafion（5 wt%）82 实 验 技 术 与 管 理 和 0.98 mL 的 C3H8O 混合溶液中超声分散 0.5 h。4 结果与讨论 4.1 红外谱图分析 图 1 为 MXene、MXene/VC 和 VC 的傅里叶变换红外光谱图