任美娟，王 淼，吳芳輝*，賈 虎，葉明富，文國(guó)強(qiáng)

(1 安徽工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000； 2 安徽工業(yè)大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)

肼又名聯(lián)氨，是含有N—N鍵的水溶性小分子化合物，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)甚至是軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]，然而，它可能通過(guò)呼吸系統(tǒng)和食物鏈進(jìn)入人體，即使在較低的濃度下也會(huì)損害人體健康，目前已經(jīng)確認(rèn)肼是一種具有致癌和誘變效應(yīng)的神經(jīng)毒物[2]，因此，建立一種靈敏、可靠的定量檢測(cè)或分析肼的體系具有重要研究意義。在已知檢測(cè)肼的眾多分析法中，簡(jiǎn)單、靈敏可便攜的電化學(xué)方法脫穎而出，通常肼在傳統(tǒng)電極上氧化過(guò)電位較高，而納米復(fù)合材料因?yàn)槟軌蜉^高程度地改善肼的氧化過(guò)電位和電子傳遞速率受到科研工作者的青睞。

Cu和Co金屬單質(zhì)的導(dǎo)電性和催化性能均較強(qiáng)，相比Pt,Pd,Au等貴金屬而言，價(jià)格低廉且儲(chǔ)量豐富，與其他材料結(jié)合能夠加快納米復(fù)合材料的電子轉(zhuǎn)移速率，成功地應(yīng)用于鋰離子電池、電容器和傳感等領(lǐng)域。例如Liu等[3]利用銅摻雜氧化物制備出性能優(yōu)異的鋰離子電池，在120次循環(huán)后可逆容量仍高達(dá)1.45 mA·h·cm-2以上，可重復(fù)利用性好。與此同時(shí)，Wang等[4]證實(shí)Cu和Co雙金屬由于發(fā)揮出協(xié)同作用相對(duì)于單一的Cu或Co納米材料表現(xiàn)出更高的催化活性。

近年來(lái)在碳基固態(tài)材料上負(fù)載催化性能好的金屬納米材料用于多相催化和電催化成為科技界的研究熱點(diǎn)之一。多孔碳是具有比表面積高、孔徑大、導(dǎo)電性好、吸附性佳、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、重復(fù)使用周期長(zhǎng)的碳材料之一[5-6]，將具有氧化還原活性位點(diǎn)的金屬材料嵌入多孔碳構(gòu)建納米復(fù)合材料，因?yàn)榘l(fā)揮了組成材料的協(xié)同作用，改善了催化劑的分散性和穩(wěn)定性，從而有望表現(xiàn)出更優(yōu)異的電催化活性。制備多孔碳的方法較多，嘗試采用金屬有機(jī)框架(MOFs)作為模板可以制備出表面積超高和孔徑更大的多孔材料，產(chǎn)物的表面積高達(dá)5500 m2·g-1[7]。Gai等[8]首次采用ZIF-8多面體通過(guò)高溫煅燒的方法制備了具有規(guī)整多面體形貌的小孔結(jié)構(gòu)(3.7 nm)和高比表面積(2221 m2·g-1)的氮摻雜多孔碳，修飾到玻碳電極上，因?yàn)槠鋬?yōu)良的導(dǎo)電性以及豐富的氮缺陷所表現(xiàn)出的高催化活性，從而成功用于抗壞血酸、多巴胺和尿酸三種成分的同步電化學(xué)分析。Chen等[9]利用ZIF-8為前驅(qū)體，同樣采用水熱和高溫退火的方法制備出了生物相容性和光熱轉(zhuǎn)換效率高的氮摻雜多孔碳，有效地應(yīng)用于高效電容器。

本工作利用硝酸鋅和二甲基咪唑?yàn)樵?，采用?jiǎn)單的高溫炭化法制備出ZIF-8衍生化的氮摻雜多孔碳納米多面體材料(NPC)之后，進(jìn)一步采用溶劑熱還原方法，將Cu和Co納米顆粒負(fù)載到多孔碳上，成功制備出了Cu@Co/ NPC納米復(fù)合材料，詳細(xì)表征了其形貌和組成，并研究了該復(fù)合材料對(duì)肼的電催化性能，與單一元素材料相比，復(fù)合材料由于發(fā)揮了多元素的協(xié)同作用對(duì)肼的響應(yīng)最靈敏，而且選擇性高，能成功用于河水中肼的測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 ZIF-8衍生氮摻雜多孔碳納米多面體(NPC)的制備

首先根據(jù)文獻(xiàn)[10]采用改進(jìn)的方法制備N(xiāo)PC，即稱(chēng)取1.488 g Zn(NO3)2·6H2O(5 mmol)溶于80 mL甲醇中，迅速加入含2.874 g 2-甲基咪唑(35 mmol)的40 mL甲醇溶液，攪拌反應(yīng)20 min后，溶液由無(wú)色逐漸變成白色渾濁狀，靜置24 h，棄去上清液，產(chǎn)物使用甲醇洗滌3次，50 ℃下真空干燥12 h得到ZIF-8。

稱(chēng)取一定量ZIF-8于研缽中充分研磨30 min后，置于管式爐中在氮?dú)鈿夥障乱? ℃/min的升溫速度升高到800 ℃，持續(xù)反應(yīng)2 h后將剩余的黑色粉末分散在0.5 mol/L的鹽酸溶液中攪拌反應(yīng)48 h除去殘留的氧化鋅或鋅，最后用去離子水洗滌產(chǎn)物3次，50 ℃下真空干燥12 h得到NPC。

1.2 Cu@Co/NPC的制備

在含有0.012 g Cu(NO3)2·6H2O(0.06 mmol)和0.017 g Co(NO3)2·6H2O(0.06 mmol)的10 mL甲醇溶液中加入溶有6.5 mg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的10 mL甲醇溶液，攪拌反應(yīng)2 h后，逐滴加入20 mL已經(jīng)超聲分散48 h的NPC(35 mg)乙二醇溶液，超聲反應(yīng)6 h，脫除甲醇溶劑，剩余溶液用1 mol/L的氫氧化鈉溶液將pH調(diào)到11左右，再加入6 mL過(guò)量的水合肼(98%)還原，繼續(xù)攪拌1 h，最后溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜中，進(jìn)行水熱反應(yīng)，于160 ℃下反應(yīng)2 h，產(chǎn)物分別用水和乙醇洗滌3次，50 ℃下真空干燥10 h得到Cu@Co/NPC。

為了探究多孔碳負(fù)載不同摩爾比的Cu和Co復(fù)合材料對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本工作分別制備了Cu和Co摩爾比(兩者總的物質(zhì)的量為0.12 mmol)為3∶1，2∶1，1∶1，1∶2和1∶3的Cu@Co/NPC復(fù)合材料，另外Cu@NPC，Co@NPC和Cu/Co復(fù)合材料的制備也采用上述方法。

1.3 修飾電極的制備

將直徑3 mm的玻碳電極在拋光絨布上用0.05 μm氧化鋁拋光成鏡面，再依次用硝酸、丙酮、乙醇和二次水分別超聲洗滌5 min。洗凈干燥后，將玻碳電極放入0.5 mol/L H2SO4溶液中于-1.5～1.5 V下進(jìn)行循環(huán)掃描至循環(huán)伏安圖曲線穩(wěn)定為止，最后用超純水洗滌，晾干備用。稱(chēng)取2 mg Cu@Co/NPC復(fù)合材料分散在2 mL DMF溶液中,加入10 μL含5% Nafion的乙醇溶液作為黏膜劑，超聲分散30 min使其成為分散均勻的懸浮液(1 mg/mL)。然后吸取6 μL分散液滴加在處理過(guò)的玻碳電極表面，紅外燈下干燥并用二次水清洗后備用。所用電解液測(cè)試前均通氮15 min，以排除由于氧氣存在可能造成的干擾。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cu@Co/NPC復(fù)合材料的表征

圖1為ZIF-8,NPC,Cu/NPC,Co/NPC和Cu@Co/NPC的X射線粉末衍射(XRD)圖。其中ZIF-8的衍射峰值較為復(fù)雜，但是與文獻(xiàn)[11]圖譜相匹配(曲線a)，經(jīng)ZIF-8衍生后的NPC在20°～30°之間有一個(gè)寬的衍射峰(曲線b)，對(duì)應(yīng)氮摻雜多孔碳的(002)晶面，表明了ZIF-8材料在800 ℃高溫炭化條件下已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化成氮摻雜多孔碳材料[8]。由曲線c可見(jiàn)，2θ為43.297°,50.433°和74.130°處的衍射峰分別對(duì)應(yīng)著Cu的(111),(200)和(220)衍射晶面(JCPDS No.04-0836)。由曲線d可見(jiàn)，2θ為41.683°,44.762°,47.568°和75.939°處的衍射峰則分別對(duì)應(yīng)著Co的(100),(002),(101)和(110)衍射晶面(JCPDS No.05-0727)。這些峰Cu@Co/NPC復(fù)合材料的圖譜(曲線e)中均有展現(xiàn)，但未觀察到明顯的NPC的寬峰，這可能是峰強(qiáng)較弱造成的，此外在XRD譜圖中，并未出現(xiàn)銅和鈷標(biāo)準(zhǔn)卡片之外的雜峰，表明Cu和Co與NPC已經(jīng)成功復(fù)合，而且純度較高。

圖1 ZIF-8,NPC,Cu/NPC,Co/NPC和Cu@Co/NPC的XRD圖Fig.1 XRD patterns of ZIF-8,NPC,Cu/NPC,Co/NPC and Cu@Co/NPC

利用透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)所制備材料的形貌進(jìn)行表征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。圖2(a)為ZIF-8的TEM照片，從圖中可以看出ZIF-8顆粒大小較為均勻，呈現(xiàn)出較為規(guī)則的、邊緣光滑的多面體外形[12]，粒徑約為150 nm，經(jīng)過(guò)高溫炭化轉(zhuǎn)化為NPC(圖2(b))之后，清晰觀察到其雖然粒徑有所減小(約為100 nm)，但仍維持了ZIF-8規(guī)整的多面體中空結(jié)構(gòu)，表面富含褶皺，繼續(xù)與銅鹽和鈷鹽反應(yīng)之后，可以明顯看到，大小均一、粒徑約為5 nm的Cu和Co納米顆粒已經(jīng)成功負(fù)載在基底材料NPC表面(圖2(d))，與銅鈷納米材料的TEM圖相比(圖2(c))，由于NPC大的孔徑和比表面積阻礙了Cu和Co納米顆粒間的團(tuán)聚，并提供了豐富的錨點(diǎn)使它們能夠均勻分散，結(jié)合NPC的高導(dǎo)電性，有利于復(fù)合材料后續(xù)發(fā)揮催化活性。

圖2 ZIF-8(a),NPC(b),Cu@Co(c)和Cu@Co/NPC(d)的TEM照片F(xiàn)ig.2 TEM images of ZIF-8(a),NPC(b),Cu@Co(c)和Cu@Co/NPC(d)

實(shí)驗(yàn)中用X射線光子能譜(XPS)確定Cu@Co/NPC復(fù)合材料的元素組成和電子狀態(tài)，圖3(a)為XPS總譜，Cu@Co/NPC復(fù)合材料在0～1200 eV勘測(cè)區(qū)域內(nèi)，有很明顯的C,N,O,Cu和Co的能帶峰。圖3(b)為復(fù)合材料中對(duì)應(yīng)的Cu2p高分辨能譜圖，在952.6 eV和932.7 eV處的兩個(gè)強(qiáng)峰分別對(duì)應(yīng)的是Cu2p1/2軌道和Cu2p3/2軌道[13]。圖3(c)為Cu/Co@NPC中Co2p軌道的高分辨能譜圖，其中780.1 eV和781.7 eV處的峰值對(duì)應(yīng)單質(zhì)鈷的Co2p3/2軌道，794.5 eV處的峰值則對(duì)應(yīng)Co2p1/2軌道[14]，圖3(b),(c)表明銅和鈷單質(zhì)均已成功負(fù)載到NPC表面。圖3(d)為Cu@Co/NPC復(fù)合材料中NPC的N1s高分辨分析及分峰擬合圖，結(jié)果表明，氮摻雜多孔碳材料中N1s峰主要含有四個(gè)能帶，包括吡咯型氮(399.9 eV)、吡啶氮(398.5 eV)、石墨氮(401.1 eV)以及氧化氮(402.2 eV)，這一結(jié)果與文獻(xiàn)[15]報(bào)道的一致，證實(shí)了多孔碳材料中摻雜有氮元素。

圖3 Cu@Co/NPC復(fù)合材料的XPS全譜(a)和Cu2p(b),Co2p(c)及N1s(d)的高分辨譜圖Fig.3 XPS survey spectra (a) and high-resolution XPS spectra of Cu2p(b), Co2p(c) and N1s(d) for Cu@Co/NPC composites

2.2 肼在不同修飾電極上的循環(huán)伏安行為

實(shí)驗(yàn)中利用循環(huán)伏安法研究了不同修飾電極在0.1 mol/L PBS緩沖溶液中(pH=7.0)對(duì)1 mmol/L肼的電催化效果(如圖4所示)。可以看到肼在裸玻碳電極(GCE)上無(wú)明顯的氧化峰(曲線a)，修飾了NPC之后，因?yàn)榈獡诫s多孔碳的優(yōu)良特性，使得其在背景電流增大的情況下，對(duì)肼有一定的催化作用，出現(xiàn)一個(gè)微弱的氧化峰(曲線b)。裸玻碳電極僅僅修飾銅和鈷雙金屬納米材料之后，由于它們之間易團(tuán)聚，對(duì)肼幾乎沒(méi)有催化作用，圖形與裸玻碳電極的循環(huán)伏安曲線基本上重合(曲線c)。在玻碳電極上修飾Cu@NPC(曲線d)或Co@NPC(曲線e)時(shí)，在0.211 V處均出現(xiàn)了肼的明顯的氧化峰，但是當(dāng)玻碳電極上修飾Cu@Co/NPC復(fù)合材料時(shí)，所表現(xiàn)出的催化效果最強(qiáng)(曲線f)，即氧化峰電流最大，氧化峰電位最負(fù)(0.152 V)。這主要是由于Cu@Co/NPC復(fù)合材料結(jié)合了多孔碳材料的大比表面積和導(dǎo)電性，改善了銅和鈷納米材料的分散性和穩(wěn)定性，并充分發(fā)揮出二元金屬的協(xié)同效應(yīng)，從而降低了肼的氧化過(guò)電位，提高了肼在電極表面的電子傳遞速率，對(duì)肼展示出優(yōu)異的電催化效果。

圖4 0.1 mol/L PBS (pH= 7.0)緩沖溶液中1.0 mmol/L N2H4在各電極上的循環(huán)伏安圖(掃速為50 mV/s)Fig.4 Cyclic voltammetric of 1.0 mmol/L N2H4 on different electrodes in 0.1 mol/L PBS buffer solution (pH=7.0) at the scan rate of 50 mV/s

為了證實(shí)不同材料修飾電極表面電子傳遞速率的快慢，對(duì)不同電極進(jìn)行了交流阻抗分析，結(jié)果如圖5所示。在0.1 mol/L KCl的5 mmol/L [Fe(CN)6]4-/3-溶液中測(cè)試得到Nyquist圖，高頻區(qū)呈現(xiàn)一個(gè)半圓體現(xiàn)了電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)即電子傳遞速率的快慢，而低頻區(qū)是一條近似45°的斜線，與擴(kuò)散控制過(guò)程有關(guān)。從圖中可以看出，在已知電極表面積(0.07 cm2) 的條件下，裸玻碳電極的Rct(電荷轉(zhuǎn)移阻力)為66 Ω(曲線a)，NPC修飾電極的Rct減小為50 Ω(曲線b)，而Cu/Co修飾電極的Rct增大為168 Ω(曲線c)，只有當(dāng)Cu和Co二元金屬與NPC復(fù)合后的Rct最小，僅為45 Ω(曲線d)，由此證實(shí)Cu@Co/NPC復(fù)合材料中金屬材料和碳材料之間的協(xié)同作用極大地改善了修飾電極表面的電荷轉(zhuǎn)移能力，促進(jìn)了電荷在復(fù)合材料修飾電極上的轉(zhuǎn)移速率，對(duì)提高修飾電極對(duì)肼的催化氧化具有重要的促進(jìn)作用。

圖5 各電極在含有5 mmol/L [Fe(CN)6]4-/3- (1∶1) 的0.1 mol/L KCl溶液中的交流阻抗圖(掃速為50 mV/s)Fig.5 Nyquist impedance plots of 5 mmol/L [Fe(CN)6]4-/3- (1∶1) in 0.1 mol/L KCl at different electrodes with scan rate of 50 mV/s

雙金屬的比例能顯著影響材料的電催化活性[4]，實(shí)驗(yàn)中還研究了負(fù)載不同摩爾比(3∶1，2∶1，1∶1，1∶2和1∶3)的Cu和Co納米顆粒的NPC材料對(duì)1.0 mmol/L肼的催化效果，結(jié)果表明，當(dāng)雙金屬的摩爾比為1∶1時(shí)，產(chǎn)生的氧化峰凈電流強(qiáng)度最大，因此，本工作選定氮摻雜多孔碳負(fù)載摩爾比為1∶1的Cu和Co雙金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極測(cè)定肼時(shí)，修飾劑的用量對(duì)測(cè)定效果影響較大，本實(shí)驗(yàn)研究了修飾劑(1 mg/mL)用量在1～10 μL范圍內(nèi)對(duì)Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極測(cè)定肼的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，修飾劑用量在小于6 μL時(shí)，肼的催化電流隨著修飾劑用量增大而增大，但是當(dāng)修飾劑用量超過(guò)6 μL時(shí)，肼的響應(yīng)信號(hào)反而下降，這可能是由于修飾層厚度增加，電極電阻增大，阻礙電子傳遞所致，因此本實(shí)驗(yàn)體系中選擇6 μL Cu@Co/NPC復(fù)合材料分散液作為修飾劑的最佳用量。

2.3 電極催化過(guò)程研究

實(shí)驗(yàn)中研究了在0.1 mol/L PBS (pH=7.0)的緩沖溶液中，掃描速度在20～180 mV/s范圍內(nèi)變化時(shí)，肼在Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極上的電化學(xué)行為。由圖6(a)可以看出隨著掃速增加，響應(yīng)電流也隨之增大，由循環(huán)伏安曲線計(jì)算得出Cu@Co/NPC修飾電極的氧化峰響應(yīng)電流ipa與掃速v的平方根呈正比(圖6(b))，線性方程為ipa=-19.3142-17.2016v1/2(r=0.9998)，表明底物在該修飾電極上的電化學(xué)過(guò)程為擴(kuò)散控制過(guò)程[16]。另外還觀察到肼的氧化峰電位隨著掃速的增加不斷正移，且氧化峰電位Ep和掃速v的自然對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，線性方程為Ep=-0.1401+0.08027lnv(r=0.9926)，根據(jù)Laviron公式[17]：Ep=(RT/αnF)ln(RTk0/αnF)+(RT/αnF)lnv(其中Ep表示峰電位，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，k0為標(biāo)準(zhǔn)速率常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，n為轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，α為電子轉(zhuǎn)移系數(shù)，對(duì)不可逆反應(yīng)一般取0.5)，可以計(jì)算得出n≈4，說(shuō)明肼的氧化反應(yīng)為4電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[18]進(jìn)一步推斷肼在Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極表面上發(fā)生的氧化反應(yīng)機(jī)理可能為N2H4→N2+4H++4e-(如圖7所示)。由公式ip=(n2F2vAΓ)/4RT[19]，其中ip為峰電流(A),A為電極表面積(m2)，R為氣體常數(shù)，T為298.15 K，F(xiàn)為96500 C/mol，Γ為電極表面吸附量(mol/cm2)，再結(jié)合循環(huán)伏安曲線可以求出肼在修飾電極上的飽和吸附量Γ為3.042×10-9mol/cm2，比裸玻碳電極上的飽和吸附量(1.9×10-10mol/cm2)增大約15倍，證實(shí)了Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極可以提供比較多的活性位點(diǎn)。

圖6 掃速對(duì)Cu/Co(1∶1)@NPC修飾電極響應(yīng)電流的影響 (a)含2 mmol/L N2H4的0.1 mol/L PBS (pH=7.0)緩沖溶液中修飾電極在不同掃速下的循環(huán)伏安圖；(b)掃速平方根與峰電流之間的線性關(guān)系圖Fig.6 Effect of scan rate on response current at Cu/Co(1∶1)@NPC/GCE (a)cyclic voltammetric under different scan rates in 0.1 mol/L PBS (pH=7.0) containing 2 mmol/L N2H4;(b)plot of the peak currents vs square root of scan rates

圖7 Cu@Co/NPC復(fù)合材料的制備及對(duì)肼電化學(xué)響應(yīng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of synthesis and electrooxidation N2H4 of Cu@Co/NPC composites

2.4 安培響應(yīng)研究

本工作將采用靈敏度較高的安培法研究肼在Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極上的響應(yīng)，首先研究了0.05～0.25 V范圍內(nèi)工作電位對(duì)肼響應(yīng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)電位從0.05 V增大到0.15 V時(shí)，肼的氧化峰電流隨之增大，在0.15 V時(shí)達(dá)到一個(gè)峰值，而電位從0.15 V變化到0.25 V時(shí)，電極響應(yīng)逐漸下降，因此將0.15 V確定為后續(xù)安培法檢測(cè)肼的最佳工作電位。

通過(guò)安培滴定法(圖8(a))研究可知，10 s內(nèi)Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極對(duì)肼的催化電流快速達(dá)到穩(wěn)定值，表明該修飾電極對(duì)肼響應(yīng)比較迅速，之后隨著肼濃度的增加安培電流也相應(yīng)增加，通過(guò)對(duì)該修飾電極對(duì)肼呈現(xiàn)出的催化電流及其濃度進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn)，當(dāng)肼濃度在5～1850 μmol/L范圍內(nèi)變化時(shí)，肼在Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極上的響應(yīng)電流i與其濃度CN2H4之間呈良好的線性關(guān)系(圖8(b))，線性回歸方程分別為：i=56.7441CN2H4+4.4629(r=0.9996，n=21)，靈敏度為798.6 μA·mmol-1·L·cm-2，檢測(cè)限經(jīng)計(jì)算為0.08 μmol/L(信噪比設(shè)為3)。將上述測(cè)定結(jié)果與測(cè)定肼的其他電化學(xué)傳感器(表1)進(jìn)行比較[18,20-23]，發(fā)現(xiàn)Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極對(duì)肼呈現(xiàn)出較寬的電化學(xué)線性檢測(cè)范圍及較低的檢出限，這是因?yàn)镃u和Co雙金屬與氮摻雜多孔碳之間的協(xié)同作用，使得Cu@Co/NPC復(fù)合材料具備優(yōu)良的電子傳遞速率、良好的生物相容性和較高的靈敏度，從而對(duì)肼表現(xiàn)出更佳的電催化效果。

圖8 Cu/Co(1∶1)@NPC修飾電極對(duì)不同濃度肼的響應(yīng)(a)0.1 mol/L PBS (pH=7.0)中連續(xù)添加不同濃度肼的安培曲線；(b)肼的催化電流和濃度之間的線性關(guān)系圖Fig.8 Response of Cu/Co(1∶1)@NPC modified electrode to different concentration of N2H4(a)typical amperometric curve on successive injection of N2H4 into 0.1 mol/L PBS (pH=7.0);(b)calibration curve of N2H4 amperometric response vs concentration

表1 各種肼電化學(xué)傳感器的性能比較Table 1 Comparison of electrochemical sensors for hydrazine determination

2.5 干擾實(shí)驗(yàn)、重復(fù)性和穩(wěn)定性研究

本工作研究了環(huán)境體系中其他可能的共存物質(zhì)對(duì)Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極測(cè)定肼的干擾。在含有1 mmol/L N2H4的體系中，連續(xù)加入0.1 mmol/L的KNO2，1 mmol/L的尿酸和葡萄糖，2 mmol/L的NH4Cl,KNO3,C2H5OH,CaCl2,Na2SO4和FeCl3后發(fā)現(xiàn)這些離子的存在對(duì)肼的檢測(cè)幾乎沒(méi)有影響，表明該復(fù)合材料修飾玻碳電極對(duì)肼具有良好的選擇性。

采取同1支Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極平行測(cè)定1 mmol/L的肼10次，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.1%，說(shuō)明該修飾電極具有較好的重復(fù)性。接著采用6支制備方法相同的不同Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾玻碳電極測(cè)定1 mmol/L的肼溶液，測(cè)得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為3.6%，說(shuō)明該修飾電極具有較好的再現(xiàn)性。在4 ℃下保存該修飾電極15天后再次運(yùn)用安培法測(cè)定1 mmol/L的肼溶液，電流響應(yīng)僅僅下降了4.5%，表明該修飾電極的穩(wěn)定性較好。

3 樣品分析

為了驗(yàn)證Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極構(gòu)筑的電化學(xué)傳感器對(duì)肼測(cè)定的有效性，直接采用安培法對(duì)經(jīng)過(guò)濾處理的安徽省馬鞍山市慈湖河水和飲用水進(jìn)行樣品分析。支持電解質(zhì)為pH 7.0濃度是0.1 mol/L PBS緩沖溶液，工作電位為0.15 V。用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(每組數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)定6次)，測(cè)定結(jié)果如表2所示。其結(jié)果顯示測(cè)量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均小于5%，回收率介于99.5%～105.6%之間，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果有較高的精確度，Cu@Co/NPC復(fù)合材料可發(fā)展用于環(huán)境廢水中肼的監(jiān)測(cè)。

表2 不同實(shí)際水樣中肼的測(cè)定結(jié)果(n=6)Table 2 Determination of hydrazine in different water samples (n=6)

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用簡(jiǎn)單的高溫炭化和溶劑熱法成功制備了負(fù)載有Cu和Co雙金屬納米顆粒的具有規(guī)整多面體形貌和豐富氮缺陷多孔碳復(fù)合材料。

(2)研究了肼在Cu@Co/NPC復(fù)合材料修飾電極上的電化學(xué)響應(yīng)，復(fù)合材料修飾玻碳電極與單一材料修飾電極及裸電極相比，電化學(xué)催化結(jié)果最佳。優(yōu)化各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)條件后發(fā)現(xiàn)，肼的濃度在5 ～1850 μmol/L范圍之間與其氧化峰電流呈良好的線性關(guān)系，檢出限達(dá) 0.08 μmol/L。

(3)制備的肼電化學(xué)傳感器具有良好的穩(wěn)定性、重復(fù)性、再現(xiàn)性以及較強(qiáng)的抗干擾能力，因此Cu/Co@NPC復(fù)合材料可發(fā)展成為環(huán)境樣品中電化學(xué)微量分析肼的新型材料。