基于配位调控机制的纳米钴电化学传感研究

武江艳,何亚萍，韩 权,*,杨晓慧,霍燕燕

(1.延安大学 化学与化工学院，陕西 延安 716000；2.西安文理学院 化学工程学院，陕西 西安 710065)

肼及其衍生物是一种非常重要的化工原料，广泛应用于农药、重氮燃料、抗氧剂、发泡剂和医药中间体等工艺中[1]。同时，肼已经成为公认的致癌物质，也是环境中重要的有害物质之一[2-3]，意外吸入对人的肝脏和血液等有毒害作用。因此，建立一种高效、灵敏检测环境样品中肼含量的方法具有十分重要的意义。

目前，肼及其衍生物的分析方法包括荧光分析法[4]、分光光度法[5]、色谱法[6]以及电化学分析法[7-8]等。其中，电化学方法以测定范围广、选择性高和操作简便等优点受到科学工作者的广泛关注。肼是一种碱增强还原剂[9-10]，在电极表面可以发生直接氧化[11]，但需要高的过电位[12]。为提高检测灵敏度和重复性，分析化学家利用金属的高催化活性、良好的导电性和大的比表面积，将其修饰在电极上，制备金属纳米传感器[13-18]，显著降低了肼的氧化过电位。相关研究表明，Co对自由态肼的N—N键具有优异的催化氧化性能[19]，已广泛应用于肼的催化氧化研究[20-21]。金属纳米粒子的催化性能与其尺寸密切相关，高分散、小尺寸表现出更为优异的催化活性。然而，由尺寸小导致的大比表面积会引起易团聚、形貌发生改变等问题。吡啶偶氮类显色剂[22-23]5-(5-碘-2-吡啶偶氮)-2,4-二氨基甲苯(5-I-PADAT)与Co2+的强配位作用会影响纳米钴的形成过程，使其形貌和稳定性有所改变，进而使纳米钴的催化活性发生显著变化，据此可以提高和改善纳米材料的性能。基于此原理构置的肼电化学传感器目前尚未见报道。

本文采用循环伏安法直接将Co2+-5-I-PADAT配合物中的Co2+在玻碳电极表面原位还原，制备了纳米钴修饰电极，采用扫描电子显微镜成像、X射线晶体衍射对其形貌及组成进行表征，研究了该修饰电极对肼的电化学行为，并建立了肼的定量分析新方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI660E型电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；三电极系统：以玻碳电极或修饰的玻碳电极(GCE)为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极；JSM-6390A型扫描电子显微镜(日本电子株式会社)；D2PHASER型X射线衍射仪(德国布鲁克公司)；SB-200DT型超声波清洗机(宁波新芝生物科技股份有限公司)；HHUP-A30milipore型纯水仪(郑州南北仪器设备有限公司)；PHS-3C pH计(上海三信仪表厂)；BS224S型电子天平(北京赛多利斯科学仪器北京有限公司)。

三氧化二钴(光谱纯，河南万海化工产品有限公司)；无水乙醇(≥99%，天津市富宇精细化工有限公司)；5-I-PADAT(西安文理学院化学工程学院霍燕燕老师提供)；80%的水合肼(天津市红岩试剂厂)；氯化钾(天津市盛奥化学试剂有限公司)；实验用水为Milli-Q型离子交换水(电阻率为18.2MΩ·cm)；除特殊说明外，其他试剂均为分析纯。

1.2 溶液的配制

钴标准溶液(1.0×10-2mol/L)：取0.4147g Co2O3于100mL烧杯中，加30mL HNO3(1∶1)，加热溶解后煮沸，冷却后转入250mL容量瓶中，加水定容，用时以水稀释至所需浓度。

5-I-PADAT乙醇溶液(1.0×10-2mol/L)：取0.3528g5-I-PADAT，加95%乙醇溶解并定容至100mL。

根据文献[23]制备Co2+-5-I-PADAT配合物：取1mL1.0×10-2mol/L钴标准溶液于10mL离心管中，依次加2mL HAc-NaAc缓冲溶液(pH4.5)和4.5mL1.0×10-2mol/L的5-I-PADAT乙醇溶液，摇匀，常温下反应15min后，加水定容，得1.0×10-3mol/L 的Co2+-5-I-PADAT配合物。

1.3 修饰电极的制备

将内径为3mm的 GCE用γ-Al2O3粉末(粒径0.05μm)抛光，依次用乙醇和水各超声清洗5min，晾干待用；将处理好的GCE置于含1.0×10-4mol/L Co2+-5-I-PADAT+0.1mol/L NaCl混合溶液中，在电压-1.5～0.5V，扫速为100mV/s下，采用循环伏安法扫描50圈，取出电极用水冲洗，室温下晾干，制备的修饰电极记为CoNPs-5-I-PADAT/GCE。以1.0×10-4mol/L Co2++0.1mol/L NaCl为电解液，采用相同方法制备的修饰电极记为CoNPs/GCE。以4.5×10-4mol/L5-I-PADAT+0.1mol/L NaCl为电解液，采用相同方法制备的修饰电极记为5-I-PADAT/GCE。

2 结果与讨论

2.1 配合物Co2+-5-I-PADAT的形成原理

图1 配合物Co2+-5-I-PADAT的形成原理Fig.1 Formation principle of Co2+-5-I-PADAT complex

Co2+的价电子层排布为[Ar]3d7，具有未充满的d轨道，容易接受配体的电子对，而5-I-PADAT分子中吡啶环上、苯环4位氨基上及偶氮基团的N原子均含有孤对电子，二者反应可形成具有较高稳定性的六齿配合物Co2+-5-I-PADAT(图1)。

2.2 修饰电极的电沉积行为研究

在构置CoNPs/GCE的过程中，其电化学循环伏安图在-0.79 V处的峰由钴的还原引起。引入显色剂5-I-PADAT后，循环伏安扫描第1圈时在0.23、-0.50、-0.82 V处有3个明显的还原峰。由于5-I-PADAT与Co2+形成的配合物稳定，电沉积CoNPs速率缓慢，在-0.50 V处以中间价态呈现(Co2+/Co+)；扫描第二圈时，纳米钴沉积于电极表面，纳米晶的存在促进了电子的转移速率，使中间价态消失，降低了还原过电位[25-26]，纳米钴的还原电位由-0.82 V正移至-0.79 V(Co2+/Co0)，随着电沉积的进行，在构置CoNPs-5-I-PADAT/GCE的过程中，只在0.23 V与-0.79 V处呈现2个明显的还原峰，表明位于0.23 V的还原峰是5-I-PADAT与Co2+形成配合物的还原峰，且位于-0.48 V(Co2+/Co0)处的氧化峰峰形变得尖锐，进一步说明配合物中的钴已被全部还原为纳米钴。

2.3 修饰电极的表征

采用扫描电子显微镜与X射线粉末衍射(XRD)对修饰电极进行表征。由图2A可见，纯的显色剂团聚时，颗粒较大；无显色剂时，沉积的CoNPs数量少，尺寸分布不均一(图2B)；而引入显色剂后，由于5-I-PADAT与Co2+的配位作用使形成的配合物稳定，促使电沉积CoNPs需要更负的电位，呈球状的钴纳米粒子均匀分散在CoNPs-5-I-PADAT修饰电极上，平均尺寸为50～100 nm(图2C)。XRD图中位于2θ=51.52°的峰是六方密堆积结构Co的(200)晶面衍射峰，对应标准谱图(JCPDS15-0806)，其它不明显的峰可能是制样时导电玻璃的峰(图3)。上述结果表明在电极表面成功制备了纳米钴。

图3 CoNPs-5-I-PADAT/GCE的XRD图Fig.3 XRD pattern of CoNPs-5-I-PADAT/GCE

图4 5-I-PADAT/GCE(a)、CoNPs/GCE(b)、裸GCE(c) 和CoNPs-5-I-PADAT/GCE(d)的循环伏安图Fig.4 CVs of 5-I-PADAT/GCE(a)，CoNPs/GCE(b)，bare GCE(c) and CoNPs-5-I-PADAT/GCE(d)PBS solution(0.1 mol/L,pH 7.0) containing 0.2 mmol/L N2H4

2.4 肼的电催化氧化

采用循环伏安法考察了0.2 mmol/L肼在修饰电极上的电化学行为。如图4所示，肼在5-I-PADAT/GCE(曲线a) 与裸电极[11](曲线c)上均无明显的氧化峰电流；CoNPs/GCE在电位0.80 V左右并无显著的氧化峰，峰电流约为8.12 μA(曲线b)；而在CoNPs-5-I-PADAT/GCE上，肼的氧化峰电流明显增大，氧化电位正移至0.55 V左右(曲线d)。以上结果表明：显色剂5-I-PADAT的引入，有利于控制纳米钴的沉积速率，使电极周围表观浓度变小，形成的纳米钴尺寸减少[27]，从而使纳米钴的比表面积增大，催化位点增多[2]，催化活性增强。

2.4.1纳米钴负载量的影响采用循环伏安法制备纳米钴时，可通过改变沉积电位和扫描圈数控制其负载量。固定扫描圈数，考察了不同沉积电位下制备的修饰电极对肼的催化氧化电流。结果表明：当沉积电位为-1.5～0.5 V时制备的CoNPs-5-I-PADAT/GCE电极对肼的催化活性最高，因此实验选择沉积电位为-1.5～0.5 V。

在1.0×10-4mol/L Co2+-5-I-PADAT+0.1 mol/L NaCl混合溶液中，将GCE电极以100 mV/s的扫描速率于-1.5～0.5 V电位范围内扫描不同的圈数，考察了不同负载量的CoNPs-5-I-PADAT/GCE电极对肼的催化氧化电流。结果显示，肼的氧化峰电流随扫描圈数的增加而增大,当扫描超过50圈后，氧化峰电流增加变缓，因此选择最佳扫描圈数为50圈。

2.4.2催化条件的优化考察了肼在不同支持电解质下的循环伏安图，发现在KCl、NaOH、HAc-NaAc和H2SO4等支持电解液中均未观察到肼的响应信号，而在pH 7.0的伯瑞坦-罗宾森(B-R)及PBS缓冲液中有响应信号，其中PBS中的催化氧化峰电流最大，峰形最好。因此，本实验选用PBS缓冲溶液为支持电解质。

考察了不同溶液pH值下0.2 mmol/L肼在CoNPs-5-I-PADAT/GCE上的动态安培图，结果发现：当pH<5.5时,肼的氧化峰电流几乎无响应；在pH 5.5～7.0时，氧化峰电流随pH值的增加而增大；pH值大于7.0时，氧化峰电流随pH值的增大反而减小。因此，本实验选用缓冲体系的pH值为7.0。

考察了不同工作电位(0.50～0.60 V)下CoNPs-5-I-PADAT/GCE修饰电极对肼的动态安培图，结果表明：工作电位为0.50～0.55 V时，肼的催化响应电流随工作电位的增大而增大；工作电位为0.55～0.60 V时，肼的催化响应电流反而降低，且噪音增大。因此，本实验选用工作电位为0.55 V。

图5 CoNPs-5-I-PADAT/GCE催化肼的计时电流图Fig.5 Chronoamperometry of hydrazine hydrate catalyzed by CoNPs-5-I-PADAT/GCE support electrolyte:0.1 mol/L PBS(pH 7.0);added potential:0.55 V;inset:A.amperometric curve of catalytic oxidation obtained by lower concentration of N2H4;B.relationship curve between catalytic current and concentration of N2H4

2.5 线性范围与检出限

图5为优化条件下，CoNPs-5-I-PADAT/GCE修饰电极加入不同量肼的计时安培图，由图可见，随着肼浓度的增加，催化电流呈台阶状上升，符合稳态电流的特征。其催化机理可能为[18,28]：

N2H4+H2O→N2+4H3O++4e

在较低浓度下，N2H4反应产生的N2迅速脱离电极表面，对N2H4分子在电极表面的扩散无影响，之后N2H4浓度进一步增大，当N2H4浓度高于2 150 μmol/L时，生成的N2影响了N2H4在电极表面的扩散，从而延缓了催化反应，导致灵敏度下降，电化学响应偏离线性(插图B)。上述结果表明，电流(I,μA)与N2H4浓度(c,μmol/L)在0.64～2 150 μmol/L范围内呈良好的线性关系，线性方程为I=-0.028 6-0.250c，相关系数为0.998 0，检出限(S/N=3)为0.28 μmol/L。

2.6 选择性与稳定性

同一支修饰电极平行测定20 μmol/L肼5次，其氧化峰电流的相对标准偏差为3.2%，将该电极置于4 ℃下保存3 d后，测定20 μmol/L的肼，响应电流仅下降2.0%，表明该修饰电极具有良好的重现性与稳定性。

表1 模拟水样中N2H4的加标回收率(n=5)Table 1 Recoveries of N2H4 in simulated water samples(n=5)

2.7 实际样品的分析

实际水样取自西安文理学院镜湖湖水。将原始水样抽滤，以CoNPs-5-I-PADAT/GCE为工作电极，未检出N2H4。分别向其中加入浓度为60、100、140 μmol/L的肼标准溶液，进行加标回收实验，得到N2H4的回收率为95.3%～102%(见表1)。方法的精密度可满足实际样品的分析要求。

3 结 论

本研究制备了CoNPs-5-I-PADAT/GCE修饰电极，并采用循环伏安法研究了修饰电极上肼的催化行为。与CoNPs/GCE对比，肼在CoNPs-5-I-PADAT/GCE修饰电极上的氧化峰电流提高，氧化过电位降低。这归因于5-I-PADAT对Co2+的良好配位作用，使纳米钴生成时的过电位升高，进而成核减慢，形成的纳米颗粒减小，均匀度增高，有效提高了钴修饰电极的比表面积，增加了电极的催化活性位点，使得高度分散的钴对肼显示出良好的催化活性。此传感器制备方法简单，稳定性好，可用于实际水样中肼的测定。