不同晶相納米三氧化二鐵電化學分析行為差異機制被揭示

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所“973”首席科學家劉錦淮、研究員黃行九領導的課題組與中科院上海應用物理研究所上海光源的研究員黃宇營、副研究員李麗娜合作，利用X-射線吸收精細結構能譜(EXAFS)技術，探索研究了不同晶相納米Fe2O3在電化學分析重金屬離子行為差異的內在機制。相關成果發表在美國化學會Analytical Chemistry 雜志上(Anal. Chem. 2015. DOI: 10.1021/acs.analchem.5b03570)。

　　金屬氧化物微/納結構材料由于具有催化、吸附和磁學等優異性能而備受科研工作者的青睞，在電化學分析檢測無機重金屬離子方面有著廣泛的應用。一直以來，電化學分析手段都是以追求高的靈敏度和低的檢測下限為目標，然而其中納米材料的增強機制不甚清楚，即沒有從原子層面上給出合理的機理解釋。而這種基于原子層面的作用機制對開發新型微/納結構材料用于高靈敏性電化學檢測水環境中無機重金屬離子具有重要指導作用。

　　 基于上述問題，研究人員詳細討論了不同晶相的三氧化二鐵(α-和γ-Fe2O3)花狀結構對電化學檢測Pb(II)的影響，并將它們的晶體結構與吸附容量和吸附方式緊密聯系起來，從原子層面上揭示了電化學現象與晶體結構之間的關系。研究結果表明，γ-Fe2O3對Pb(II)的電化學響應要顯著優于α-Fe2O3 (如圖a)。研究人員用XPS和EXAFS分析比較了α-和γ-Fe2O3對Pb(II)的吸附量以及吸附方式的差異。XPS的結果顯示γ-Fe2O3表面暴露有大量的羥基(-OH)，可以提供更多的吸附位點，從而提高對Pb(II)的吸附量，這是由于γ-Fe2O3的晶體結構使其表面有大量的吸附空位(如圖b)。EXAFS的結果表明，Pb(II)在α-和γ-Fe2O3表面有著不同的吸附結合方式，Pb(II)在αFe2O3表面主要以Pb-OH和Pb-H2O的方式結合，而在γ-Fe2O3表面則只有Pb-OH (如圖c和d)。這種不同的吸附容量和結合方式直接導致不同晶相的Fe2O3對Pb2+的吸附存在著顯著的差異，從而影響兩種晶相的納米Fe2O3電化學分析行為的不同。

　　該工作從原子層面上揭示了晶相對電化學行為的影響機制，對深入理解電化學行為與晶相之間的關系具有重大意義，為研究新型納米材料用于電化學分析檢測提供了有效的理論支持。

　　該研究工作得到了國家重大科學研究計劃項目和國家自然科學基金等項目的支持。

圖：a)α-FeFe2O3，γ-Fe2O3修飾電極在不同濃度下對Pb(II)的方波伏安響應；b)α-Fe2O3，γ-Fe2O3的晶體結構示意圖；c)歸一化的Pb吸附在α-Fe2O3，γ-Fe2O3上的LIII-EXAFS；d) 擬合的傅里葉變換的EXAFS譜圖。