铈掺杂氧化铁纳米粒子修饰的功能化层硼烯的绿色生产用于可重复检测过氧化氢

引言

硼是一种结构复杂的元素,拥有优异的化学性质、可调节的带隙、高载流子迁移率和超导潜力,为电催化、光热疗法和光电子器件等领域提供了重要可能性。不同于碳,硼具有单个多余电子,导致了广泛的键合性质,如多中心键,远远超出了通常的二元化学键。尽管自2004年石墨烯首次制备以来,各种二维(2D)材料层出不穷,但硼片的制备仍然面临巨大挑战。这是由于纯硼没有固有的二维层状结构,而多晶相使它们比块体硼不稳定,给合成和潜在应用带来了极大挑战。

同时,过氧化氢(H₂O₂)作为一种强氧化剂,广泛应用于食品防腐,并在许多细胞过程中起着重要的信号分子作用,从而影响疾病的发生和进程。近来的研究致力于开发有效的H₂O₂检测方法,视觉和比色分析是简单且经济的选择。金属氧化物如Au、Mn₂O₃、Pt、Fe₃O₄和CeO₂已被证实具有用于比色H₂O₂检测的能力。其中,氧化铁因其稳定性、易回收性、可逆的氧化还原性和优异的催化性能而备受关注。此外,将CeO₂作为掺杂剂可以增强氧空位的生成,而其独特的氧化还原性和可回收性使这些材料在氧化反应中具有优势。

本研究提出了一种新方法，其中3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)-纳米复合材料模型介导同时还原和氧化，从而实现便携式和可视化的迭代H₂O₂测试分析。硼片形成了一种独特的宿主基质，增强了纳米粒子的电化学性质，导致过氧化物酶样活性增强，并在H₂O₂ 存在下通过Ce-FeONPs纳米粒子有效氧化TMB。此外，功能化的少层硼烯(FFB)由于其固有的还原能力而具有还原性，可将oxTMB还原为TMB。TMB-纳米复合材料模型表现出卓越的可重复使用性，在十次测试中与H₂O₂浓度保持线性关系，而不会影响检测限(LOD)。重要的是，观察到的视觉颜色变化使得无需昂贵设备即可进行现场分析，动力学分析在十次重复实验中证实了一致的乒乓催化机制。

结果与讨论

一、功能化层层硼烯(FFB)的制备与表征

我利用咖啡渣提取物(CWE)和胶核提取物(GNE)通过超声和高剪切剥离,成功从块状硼中制备得到FFB。SEM和TEM分析显示,FFB呈现出均一的纳米片层形貌,包括长度在200-800 nm范围的球形、正方形、多边形和带状片层,厚度在5.5-7.1 nm。FFB的拉曼光谱和XRD模式与β-菱面体硼一致,证实了成功保留了原始硼的晶体结构。FTIR和XPS进一步表明,FFB表面吸附了来自溶剂的各种官能团,如羟基、羧基和氨基,从而实现了材料的功能化。

二、在FFB上原位生长Ce-FeONPs

在FFB表面原位生长Ce-FeONPs,形成了FFB-Ce-FeONPs复合材料。SEM和TEM显示,Ce-FeONPs呈球形,粒径约为10 nm,大部分分散在FFB表面。XRD和FTIR证实了Ce-掺杂的Fe₃O₄纳米粒子的形成。XPS分析进一步确认了Fe、Ce、B、C和O元素的存在及其化学态。通过这种策略,实现了Ce-FeONPs在FFB上的均匀分散和牢固键合。

三、催化性能与重复利用

比较了FFB、Ce-FeONPs和FFB-Ce-FeONPs的自由基清除活性和过氧化物样活性,结果显示FFB-Ce-FeONPs表现出最佳的性能。KelineWeaver-Burk双倒数图表明,FFB-Ce-FeONPs具有更高的催化效率和亲和力。此外,FFB-Ce-FeONPs在10次循环中保持了线性响应和可观察的颜色变化,展现了出色的重复利用性能。这得益于FFB提供的还原性以及Ce-FeONPs的优异过氧化物样活性。

结论

本研究首次提出了一种新颖的方法,利用3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)-纳米复合物模型实现对H₂O₂的同时还原和氧化,从而构建一种便携和视觉的可重复H₂O₂检测装置。开发的硼片形成了独特的主体基质,增强了纳米粒子的电化学性能,导致Ce-掺杂的Fe₃O₄纳米粒子(Ce-FeONPs)表现出增强的过氧化物样活性。此外,功能化的层层硼烯(FFB)贡献了还原性,能将氧化的TMB还原回TMB。TMB-纳米复合物模型表现出出色的可重复性,在十次测试中与H₂O₂浓度保持线性关系,检测限几乎未受影响。这种同时实现氧化和还原的策略为H₂O₂的可重复检测提供了一种有前景的方法,未来可进一步探索其在生物医疗等领域的应用。

参考文献

Bu, Y.; Kim, B. S., Green production of functionalized few-layer borophene decorated with cerium-doped iron oxide nanoparticles for repeatable hydrogen peroxide detection. Biosens. Bioelectron. 2024, 260, 116448.