近期，中科院合肥研究院固體所環境材料與污染控制研究部博士后楊猛等人在前期晶面/晶相效應的電化學分析研究基礎之上，通過在CeO₂表面引入豐富的氧空位及負載Ru納米粒子，極大提升了其對重金屬的電化學響應，并揭示了其增強電分析行為的敏感機理。相關研究成果以“Ruthenium-loaded cerium dioxide nanocomposites with rich oxygen vacancies promoted the highly sensitive electrochemical detection of Hg(II)”為題發表在傳感器領域知名期刊Sensors and Actuators B: Chemical 上。 

　　CeO₂作為一種半導體材料，由于其具有比表面積大、價態豐富、催化活性高等特性，在汽車尾氣處理、光催化、燃料電池及CO催化氧化等領域有廣泛應用。然而，由于CeO₂材料導電性差及表面活性位點較少，限制了其電化學催化活性的進一步提高。研究表明，通過引入氧空位及負載活性較好的金屬可以有效提高CeO₂的催化活性，然而，在增強電分析行為方面的相關機理仍需進一步探究。 

　　研究人員首先制備CeO₂納米立方體，并在400℃、450℃、500℃、550℃、600℃不同溫度下煅燒處理。利用其構筑的電化學敏感界檢測水環境中重金屬污染物Hg(II)，發現在550℃煅燒處理下的CeO₂納米立方體表現出最優異的電分析性能。實驗結果表明，通過煅燒處理可以使氧空位被引入到CeO₂納米立方體表面，且不同溫度煅燒后CeO₂納米立方體表面所含氧空位濃度不同。 

　　進一步分析表明，CeO₂納米立方體主要暴露的晶面為(100)面，已有研究報道CeO₂(100)面表層滿覆蓋的氧離子間存在很強的相互排斥作用，能夠促進晶格氧由內向外遷移，不僅增強了氧空位的形成，調節催化活性，而且改善了氧的遷移率，提高氧化還原能力。電化學測試表明，煅燒處理后的CeO₂納米立方體導電性大大提高，且檢測Hg(II)的靈敏度變化規律與其表面所含的Ce³⁺與氧空位濃度變化完全一致。上述研究表明通過表面Ce³⁺與氧空位能夠調制敏感材料表面電子結構及導電性，增加對Hg(II)的吸附-催化活性位點及加快電子的傳遞，從而獲得增強的電化學響應信號。 

　　另一方面，Ru作為一種金屬活性較好的材料，具有較好的化學穩定性和催化活性。將Ru納米粒子負載到CeO₂納米立方體中，利用Ru納米粒子與CeO₂的協同作用形成了具有優異氧化還原性能的活性位點，進一步提高了敏感材料的催化活性，從而實現對水體中痕量Hg(II)等重金屬污染物的靈敏、準確檢測。 

　　相關工作為將來在原子尺度調控敏感材料的電化學行為提供了參考。 

　　該研究工作得到國家自然科學基金重點項目、博士后創新人才支持計劃、中國博士后面上項目、安徽省自然科學基金青年項目及安徽省博士后項目等項目的支持。 

　　文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400520307000?via%3Dihub。 

　　Ru/CeO₂的結構表征與電分析行為研究。(a) CeO₂(550℃)SEM圖；(b) Ru/CeO₂SEM圖；(c) CeO₂(550℃)TEM圖；(d) Ru/CeO₂TEM圖；(e) CeO₂(550℃)和Ru/CeO₂的XPS圖；(f) CeO₂(550℃)和Ru/CeO₂的UV-Vis圖；(g) CeO₂(550℃)和Ru/CeO₂的EPR圖譜；(h-j) Ru/CeO₂敏感材料對Hg(II)的電化學檢測研究。