石河子大学陈龙团队：基于Co/CoO/Co₃O₄ Z型异质结的Cd²⁺、Cu²⁺和Hg²⁺超痕量同时检测及其机理

为了实现超痕量同时检测多种重金属离子，开发高效、低成本且活性位点丰富的修饰电极材料引起广泛关注。单一的过渡金属氧化物因其富氧化还原能力表现出一定的检测性能，但其自身导电性差以及活性位点少的缺陷限制了其进一步发展。因此，设计Co⁰/Co²⁺/Co³⁺多价态作用的Z型异质结Co/CoO/Co₃O₄应用在重金属离子检测领域有重要意义。

近日，石河子大学陈龙副教授团队发表了研究性文章，该论文设计合成了Z型异质结Co/CoO/Co₃O₄，将其应用在重金属离子（HMIs）检测。实验结果表明其同时检测Cd(II)、Cu(II) 和Hg(II) 的灵敏度分别为4.31μA μM^-1、19.34 μA μM^-1和13.25μA μM^-1。分析了Co/CoO/Co₃O₄同时和单独检测HMIs的检测机理。结合密度泛函理论计算解释了Co⁰/Co²⁺/Co³⁺同时作用的Co/CoO/Co₃O₄具有更高的电荷密度，对HMIs表现出强的吸附能力。相关文章发表在国际知名传感器类期刊Sensors and Actuators B: Chemical 上，论文第一作者为石河子大学化学化工学院庞建祥硕士，论文通讯作者为陈龙副教授和杨晓东副教授。通讯单位为石河子大学。

图1. Co/CoO/Co₃O₄制备示意图及SEM, HRTEM, FFT, Mapping表征

图2. Co/CoO/Co₃O₄的XRD, XPS, EPR表征

图3. Co/CoO/Co₃O₄同时和单独检测Cd(II)，Cu(II)和Hg(II)性能分析 

图4. Co/CoO/Co₃O₄同时检测和单独检测HMIs机理分析

图5. Co/CoO/Co₃O₄稳定性、抗干扰性及其在实际水样中的电化学性能

图6. Co/CoO/Co₃O₄的EIS测试及MS曲线测试

图7. DFT理论计算Co/CoO/Co₃O₄对HMIs的吸附能及其电荷密度

本文设计合成Co/CoO/Co₃O₄ Z型异质结。通过实验分析和DFT计算，可以发现Co/CoO/Co₃O₄由于其Co⁰/Co²⁺/Co³⁺循环和氧空位的协同作用表现出优异的电化学性能。本研究不仅研究了异质结中钴的不同价态对HMIs检测的影响，也为Z型异质结在传感领域的应用提供了基础。

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Ultra-trace simultaneous detection of Hg(II), Cd(II), and Cu(II) and mechanism based on Co/CoO/Co₃O₄ Z-type heterojunctions

Jianxiang Pang, Shan jin, Juan Hou, Gang Wang, Kaisheng Sun, Yang Zheng, Huanhuan Li, Yunfei Shen, Xiaodong Yang, Long Chen

Sens. Actuators B Chem., 2023, 374, 132725, DOI: 10.1016/j.snb.2022.132725