AgNWs/g-C3N4复合纳米材料对香兰素的电催化研究

钮金芬， 王 凯， 马璋腾斐， 姚秉华， 余晓皎

(西安理工大学 理学院， 陕西 西安 710054)

石墨相氮化碳(g-C3N4)具有适宜的价带、优良的热力学和化学稳定性和导带位置，适用于光催化、光伏太阳能电池和电化学传感器等领域[1]。而在众多类型的纳米金属中，纳米银线粒子(AgNWs)因为它的优异的电导率和氧化稳定性，常常被用来作为修饰电极的合成材料。此外，它还拥有小尺寸效应、广谱抗菌性及量子尺寸效应等，所以它在催化剂、电子行业医疗等方面都有广泛的利用空间[2-3]。纳米银线粒子具有催化效应，粒子尺寸较小，高比表面积的特点，更容易与溶液中的物质接触反应，并且有更多的活性位点。当纳米银线粒子与石墨相氮化碳形成复合材料时，二者之间的共轭耦合效应可以有效提高电子在复合材料的传递[4-6]。

香兰素广泛应用在食品添加剂和医疗行业中，能给人一种积极愉快的情绪体验，具有抗癫痫和抗焦虑的作用。它还可用作食品工业中的抗氧化剂，并具有抗菌作用，还可以防止紫外线对皮肤的伤害。但是高剂量的香兰素会对人的肝脏和肾脏造成潜在的损害[7]，因此寻找一种简易、快速的香兰素检测方法对于食品中香兰素的检测具有重要的作用。

目前，香兰素的测定方法主要有气相色谱-质谱联用[7]、毛细管电泳法[8]、光度法[9]、液相色谱法、固相萃取-液相色谱法[10]、液相色谱法-质谱联用[11]等。与上述方法相比，电化学分析方法具有操作简单、耗时短、分析成本低等优点[12-14]，一些修饰电极如纳米金修饰电极[15]等已被用于香兰素的检测中。但是目前还未有利用g-C3N4基修饰电极进行食品中香兰素测定的相关报道，利用g-C3N4良好的电学和光学性能将有助于开发出用于替代传统检测方法的新型电化学传感器。

本文基于纳米银线颗粒比表面积大、电催化性和生物相容性好的特点，设计了AgNWs/g-C3N4修饰玻碳电极(GC)，并且详细研究了香兰素在该修饰电极上的电化学行为，成功地研制出一种新型香兰素电化学传感器，建立了一种测定香兰素的新方法，结果表明该修饰电极可以应用于对食品中香兰素的检测，并具有较低的检出限、良好的稳定性和较强的抗干扰能力，在实际样品的测定中取得较为满意的结果，具有一定实际应用价值。

1 实验部分

1.1 主要试剂

香兰素(C8H8O3)，水合肼(N2H4·H2O)，氯化钠(NaCl)，氯化钾(KCl)，硝酸钠(NaNO3)，氯化钙(CaCl2)，九水合硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)，氯化锌(ZnCl2)，硝酸铜(Cu(NO3)2)，苯甲酸(C7H6O2)，葡萄糖(C6H12O6)和磷酸氢二钠(Na2HPO4)购买自国药集团化学试剂有限公司。三聚氰胺(C3H6N6，天津化学试剂厂)，硝酸银(AgNO3，天津市富宇精细化工有限公司)，聚乙烯吡咯烷酮((C6H9NO)n，天津市大茂化学试剂厂)和柠檬酸钠(天津化学试剂厂)所有试剂均为分析纯。百事可乐购买自西安百事可乐饮料有限公司，巧克力购买自玛氏食品有限公司，奶糖购买自旺旺(中国)投资有限公司。水源为去二级去离子水(自制)。

1.2 g-C3N4的制备

将称量好的10 g三聚氰胺放到刚玉坩埚内，先在50 ℃条件下干燥1 h，然后在加盖的条件下，从20 ℃开始，以5 ℃/min的升温速度，达到550 ℃后，恒温煅烧2 h，得到淡黄色块状的固体，即为块状C3N4。在上述实验的基础上，将0.5 g块状的C3N4放入水和乙醇溶液中，通过超声剥离8 h后离心分离，所得固体样品用超纯水和乙醇各清洗三次，80 ℃条件下烘干10 h，所得催化剂为片状C3N4，记为g-C3N4。

1.3 AgNWs/g-C3N4复合催化剂的制备

称取30 mg的g-C3N4分散于20 mL超纯水和10 mL异丙醇的混合溶液中，进行超声分散1 h，然后依次加入一定质量的AgNO3、10 mg聚乙烯吡咯烷酮、5 mg的柠檬酸钠，通氮气20 min，然后迅速滴加2 mL水合肼(此过程需要注意密封和持续搅拌，防止AgNWs团聚)。通过改变AgNO3的加入质量(2.5 mg、8.4 mg、15 mg、19 mg、47 mg、88 mg)分别制得不同比例的AgNWs与g-C3N4(5%、15%、25%、30%、50%、65%)复合催化剂，并将所得催化剂记为AgNWs/g-C3N4-X(X代表所加入AgNO3的理论Ag产量所占总质量的百分比)。

1.4 修饰电极的制备

修饰电极制备前，裸玻碳电极需要在涂有0.05 μm的氧化铝抛光粉悬浊液的麂皮抛光垫上，以顺时针、逆时针以及“8”字型垂直摩擦，以对玻碳电极进行抛光，再使用超纯水和无水乙醇把玻碳电极清洗干净，实验结束同样需要上述步骤进行电极的清洗。

取12 mg催化剂置于5 mL离心管中，后加入1 mL超纯水进行超声混合分散，而后移取10 μL分散液均匀滴到玻碳电极上，即得到不同催化剂修饰电极，以下实验若无特殊说明，所有的工作电极均为此方法制备。

1.5 实际样品处理

根据文献[16]对实际样品进行处理：百事可乐先经过超声仪(300 W，40 KHz)进行超声10 min，过滤后直接使用。

称取5 g奶糖和巧克力分别溶于20 mL的乙醇溶液中，待其完全溶解后以9 000 r/min的转速离心5 min，取上层清液移入25 mL的容量瓶中，用蒸馏水稀释到刻度待用。

1.6 磷酸缓冲液配置

称取适量的Na2HPO4和NaH2PO4固体，分别搅拌溶解，在2个250 mL的容量瓶中配制成0.1 mol/L的Na2HPO4溶液和NaH2PO4溶液，后按比例配得pH为5.8的磷酸盐缓冲溶液(PBS，0.1 mol/L)。

1.7 样品的表征

采用X射线衍射相分析(phase analysis of X-ray diffraction，XRD)对所制备材料的晶相进行分析。

本实验使用的X射线衍射仪型号为XRD-6100，其阴极的工作电压为40 kV，阳极靶材为Cu，对材料的扫描范围设定为10°～80°，扫描速度为10°/min。采用扫描电子显微镜(SEM)对样品的形貌进行表征。

本实验使用VEGA3 SBH型扫描电子显微镜对所制备材料的形貌进行分析,采用透射电子显微镜对催化剂的内部结构进行分析，使用FEI Tecnai G2 F20型透射电子显微镜对所制备样品进行表征。

1.8 电化学实验

电化学实验采用三电极体系进行电化学测定，见图1，以玻碳电极或修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，所有测定均在CHI660B电化学工作站进行，以0.1 mol/L，pH=5.8的PBS溶液为电解质，用计时电流法，开路电位为起始电位，0.3 V为终止电位，电解120 s，后静置30 s，再进行循环伏安扫描(CV)和微分脉冲伏安扫描(DPV)。

图1 测定香兰素浓度三电极体系实物图Fig.1 Three electrode system for determination of vanillin concentration

实验前，修饰电极需在空白PBS缓冲液中进行循环伏安扫描，直至电流处于稳定状态。每次测完后仍需在空白PBS缓冲液中扫描10圈恢复电极表面活性。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

为了对所制备的g-C3N4和AgNWs以及AgNWs/g-C3N4复合催化剂进行物相分析，了解所制备催化剂内部的晶体结构，对所制备的材料进行XRD分析，结果见图2。由图2可见g-C3N4样品在XRD图谱中能观察到位于13.1°的(100)晶面和27.5°的(002)晶面，(100)晶面是g-C3N4的庚嗪环的结构，而(002)晶面则是g-C3N4层层堆叠表现出的结构[16]，这两个晶面暴露的比例则可以用这两个峰的强度来表示。

图2 g-C3N4与AgNWs/g-C3N4-X复合催化剂的XRD图谱Fig.2 XRD patterns of g-C3N4 and AgNWs/g-C3N4-X samples

在图2AgNWs/g-C3N4复合催化剂的XRD图谱中可以看出38.1°、44.3°、64.2°以及77.5°衍射峰分别表示AgNWs的(111)、(200)、(220)以及(311)衍射晶面[17]。位于27.5°的特征峰是g-C3N4的(002)衍射晶面，表现出g-C3N4层层堆叠的性质，这是因为片状g-C3N4在van der Waals力的作用下发生了聚集和卷曲，但该处峰强度十分低，并且随着Ag的复合比例增加而降低，这说明负载了AgNWs后，片状结构变得更为稳定。

2.2 SEM和TEM分析

为了观测到所制备样品的微观形貌和内部结构，对其进行SEM和TEM分析，见图3。

图3(a)～(c)分别为片状g-C3N4的SEM谱图以及AgNWs/g-C3N4-15复合催化剂的SEM谱图和TEM谱图。

由图3可见，AgNWs与g-C3N4分散均匀，尺寸较小，AgNWs直径约为30 nm，大多数AgNWs长度大于2 μm，有少部分团聚，右边可以看到g-C3N4被剥离成了片状结构，呈现出单层或少数多层的结构。由图3(c)中可以观测到0.236 nm和0.204 nm的晶格间距，这归属于AgNWs的(111)和(200)晶面间距，而由图3(c)插图中可以看出AgNWs均匀负载在g-C3N4的表面。

图3 g-C3N4和AgNWs/g-C3N4-15复合材料的SEM图谱以及AgNWs/g-C3N4-15复合材料的TEM图谱Fig.3 SEM images of g-C3N4 and AgNWs/g-C3N4，and the TEM image of AgNWs/g-C3N4-15

2.3 电催化实验分析

2.3.1不同修饰电极对香兰素电催化的研究

分别以裸玻碳电极，g-C3N4修饰电极以及不同复合比例的AgNWs/g-C3N4-X修饰玻碳电极为工作电极，在香兰素浓度为10 μmol/L的PBS溶液中进行微分脉冲伏安扫描(DPV)，结果见图4。

从图4可看出，裸玻碳电极对10 μmol/L香兰素的PBS溶液只有微小的氧化峰，说明裸玻碳电极对香兰素有微弱的催化效果，g-C3N4修饰电极在0.7 V处有明显的响应峰，而AgNWs/g-C3N4复合催化剂比单一的g-C3N4材料在对香兰素的电催化过程中表现出更加优异的性能，特别是对于AgNWs/g-C3N4-15和AgNWs/g-C3N4-30催化剂，峰电流强度比单一片状的g-C3N4增强了一整个数量级。

图4 不同复合比例的AgNWs/g-C3N4-X和g-C3N4修饰电极在10 μmol/L香兰素的PBS溶液中(0.1 mol/L，pH=5.8)的DPV扫描图Fig.4 DPV of vanillin(the concentration of vanillin is of 10-5 mol/L) on AgNWs/g-C3N4-X and g-C3N4-X modified electrode in PBS (0.1 mol/L，pH=5.8)

图5所示为经不同AgNWs修饰剂用量的AgNWs/g-C3N4-X复合材料与响应峰电流的大小关系图。

图5 AgNWs/g-C3N4-X与香兰素峰电流(ip)变化关系图Fig.5 Relationship between the ratio of AgNWs/g-C3N4-X and vanillin peak current (ip)

从图5可以看出随着AgNWs含量的不断增加，香兰素的响应峰电流也在不断增加。这是因为当修饰剂量较少时，活性位点会首先随着AgNWs在g-C3N4中含量的增大而增大，则香兰素的响应电流也会随之增加。当AgNWs在g-C3N4中含量达到一定量时，电活性位点到达了饱和程度，响应峰电流不会再增大。AgNWs含量过高会导致g-C3N4在表面的含量减少，也证明AgNWs/g-C3N4对香兰素的电催化时二者的协同作用导致，二者之间有一个最佳的配比。而当AgNWs的含量为25%时会出现一个低谷，这可能是由于材料的特异性引起的。本研究中二者的最佳配比是AgNWs的含量为15%。

2.3.2AgNWs/g-C3N4修饰电极对不同浓度香兰素溶液的电催化研究

以AgNWs/g-C3N4-15修饰电极为工作电极，对不同浓度香兰素的PBS溶液中进行微分脉冲伏安扫描(DPV)，结果见图6。图6中香兰素溶液浓度分别为3 μmol/L、6 μmol/L、9 μmol/L、15 μmol/L、30 μmol/L、45 μmol/L、75 μmol/L以及95 μmol/L。

图6 不同浓度香兰素在AgNWs/g-C3N4-15修饰电极上的DPV扫描图(0.1 mol/L PBS，pH=5.8)Fig.6 DPV of vanillin at different concentrations on AgNWs/g-C3N4-15modified electrode (0.1 mol/L PBS, pH=5.8)

图7为香兰素浓度与其峰电流的线性相关曲线，由图7可知当以AgNWs/g-C3N4-15材料修饰的玻碳电极为工作电极，香兰素浓度和响应峰电流有着较好的线性相关性，在3～95 μmol/L的浓度范围内，线性回归方程为：ip=0.04986c+0.3842(ip的单位为μA，c的单位为μmol/L)，相关系数R2=0.9983。最低检测限为6.2×10-6mol/L，而GB2760-2014规定香兰素食品添加国家标准的5.0×10-4mol/L，该方法检测限低于国家标准，可以应用于实际样品测定。

图7 不同浓度香兰素溶液与峰电流(ip)关系图Fig.7 Relationship between the concentration of vanillin and peak current (ip)

2.3.3干扰实验与稳定性

实验考察了饮料、巧克力和奶糖中常见的金属离子和共存物质对香兰素伏安行为的影响，对香兰素测定时各种共存物质的干扰情况进行了研究。当相对测量误差<5%时，50倍的柠檬酸、维生素C、Na2HPO4、NaCl、KCl、NaNO3、CaCl2、Zn(NO3)2和Fe(NO3)3·9H2O，20倍的苯甲酸和葡萄糖等不干扰测定，见表1。因此该修饰电极可以用于实际样品中香兰素的测定。

表1 干扰离子对AgNWs/g-C3N4-15测定香兰素的影响Tab.1 Effect of interfering ions on vanillinmeasured by AgNWs/g-C3N4-15

用AgNWs/g-C3N4-15修饰电极为工作电极，对10 μmol/L香兰素的PBS溶液进行三次测量来评估电化学传感器的重复性。后将该修饰电极置于4 ℃冰箱中保存2 d后，在相同条件下平行测定香兰素3次，从表2测试结果可知，AgNWs/g-C3N4-15对香兰素的检测具有良好的稳定性。

表2 AgNWs/g-C3N4-15对香兰素检测的稳定性Tab.2 Reproducibility of AgNWs/g-C3N4 on vanillin

2.3.4实际样品分析实验

将巧克力、奶糖和百事可乐样品制备成分析样品后，移取样品溶液1 mL到电解池中，加入到空白PBS溶液中，摇匀，以AgNWs/g-C3N4-15修饰电极为工作电极，采用DPV法进行加标回收实验，重复测定3次。然后加入一定浓度的香兰素溶液，再次进行3次测定实验，方法的回收率结果见表3。从表3中结果可以看出，巧克力和奶糖样品的回收率可达96.83%～101.9%，而可口可乐样品中的香兰素并不能被检测出来，这可能是由于饮料中香兰素的含量过低[16,18]，超出该方法的检测限所致。这表明该电化学法能够准确，快速，高灵敏的测定部分实际样品中香兰素的含量。

表3 样品中香兰素含量的测定和回收率(n=3)Tab.3 Determination and recovery of vanillinin samples (n=3)

3 结 论

本研究研制出一种新型香兰素电化学传感器，建立了一种测定香兰素的新方法，该方法可以用于实际样品中香兰素的测定。

论文首先使用高温煅烧法制备了块状C3N4，然后使用超声法对其剥离制备了g-C3N4。利用化学还原法，以AgNO3为银源，直接还原纳米银粒子到片状的g-C3N4上，制备了AgNWs/g-C3N4电极修饰材料，并将其用于香兰素的电催化研究。

电催化实验结果表明，AgNWs/g-C3N4修饰材料具有比单一g-C3N4更好的电催化活性。复合催化剂具有优越的电性能是由于AgNWs与g-C3N4复合后二者之间的共轭耦合效应，C3N4孔缺陷可以减弱AgNWs的团聚，同时AgNWs的存在又避免了g-C3N4分子自身的堆叠，同时复合材料又保持了大比表面积的特点，因而AgNWs/g-C3N4复合材料对香兰素具有更加优良的电催化效果。