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Neetha约翰·k·e·亚伯拉罕, ”检测硒使用锰和镍金属离子在水中3O4-Cn-Modified电极”,国际期刊的电化学, 卷。2021年, 文章的ID6650542, 9 页面, 2021年。 https://doi.org/10.1155/2021/6650542
检测硒使用锰和镍金属离子在水中3O4-Cn-Modified电极
文摘
本研究报告Mn的设计3O4- cn电极及其用于同时检测硒和镍在水里。设计电极可以作为一个方便的电化学设备的现场测试Se (IV)和镍(II)水平在受影响的地区。最好的反应是获得0.1磷酸缓冲盐(PBS)和5毫米Fe (CN)6为支持电解质。扫描速度和循环重复的数量对峰的形状和强度有很大的影响。从我们的研究中,峰值强度成正比Se (IV)和镍(II)浓度范围在5到250µ0.952和0.984 g / L(相关系数)时所使用的优化参数。0.533的检出限µ0.718 g / L Se (IV)µ倪g / L (VI)的响应时间为5 - 250 18岁µ分别获得g / L浓度。增强对不同水样分析结果证明该方法适合Se (IV)和镍(II)检测。确认Mn FESEM图像3O4在电极- cn形成纳米复合材料。
1。介绍
环境中的重金属对生物体构成巨大风险由于nonbiodegradability [1]。众多研究实验室在使用系统的过程来分析金属离子在不同的媒介。这包括原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、高压液相色谱、气相色谱法和流动注射分析(2]。但是,这些技术都有自己的缺点。电化学检测金属离子有几个优点,如低成本、现场的可用性、稳定性、重复性、准确性,检测多种离子。循环伏安法(CV)是一个方法来识别和区分氧化还原行为,稳定,工作电极的表面积用于电化学传感(3,4]。
这种技术使用修饰电极是提供对一些金属离子选择性。然而,工作电极的选择是至关重要的成就履历分析。有很多报告基于不同金属氧化物纳米颗粒(5- - - - - -13]。锰氧化物纳米颗粒是最合适的候选人作为电极材料由于其催化剂性质,成本低、稳定、无毒,表面积大,检出限低,天然丰度和高的能量密度(14- - - - - -20.]。约翰Mn的优良的气体传感性能报告3O4纳米棒(20.]。如今,由于纳米科学和纳米技术的进步,有很多方法可以使用纳米复合材料制造化学修饰电极。一个聪明的候选人与Mn形成纳米复合材料3O4壳聚糖。壳聚糖(Cn)是一种有吸引力的属性如薄多糖聚合物成膜能力,附着力好,出色的灵敏度13]。壳聚糖由不稳定的氨基和羟基官能团,使强酶亲和力和化学修改(18]。只有少数基于这些材料对金属离子检测报告有效(2- - - - - -4,13]。锰3O4高闻名electrocatalytic性质,使其成为一个优秀的电极气体传感器和生物传感器。然而,Cn和锰的混合物3O4是可以用在痕量金属离子检测。在目前的工作,一个电化学传感器开发硒和镍检测在各种水源,通过修改一个铂(Pt)和氧化锰(Mn电极3O4)和壳聚糖。硒和镍是有毒的环境如果他们的水平高于所需的限制。相似性被倾倒有毒金属离子污染作为一个工业化的结果。所以,这是非常重要的决定这些金属离子的相似性之前使用痕迹。我们所知,这是第一次报告的电化学传感器基于硒和镍锰3O4- cn纳米复合材料,也在湖水和镍硒水平检测。
2。实验
2.1。材料和合成
所有的化学品都为分析纯,使用前未经纯化。股票的解决方案Se (IV)、镍(II) 1000µg / L,离子像Cd2 +、镁2 +、铁2 +,因为2 +,阿宝43−,我−、铜2 +、溴−、铅2 +,李2 +,英航2 +,所以42−和铁(CN)6是来自默克和存储在制冷。水硒和镍检测收集从一个湖在南印度,而著称的毒性由于巨大的倾倒工业和化肥工厂的废物。在商业肥料、微量硒添加。但是,添加一个充足数量的浪费,污染周围的水资源。硒和镍作为污染物由于工厂废物倾倒尤其是水资源和湖泊。样品收集来自不同网站的湖泊和河流在季风和夏季。阳极氧化铝(氧化铝)模板的长度60µ和孔隙直径350纳米(智能膜,德国)是合成的购买。我们把1 M醋酸锰(5.13 g)是溶解在100毫升的去离子的水(DI)和搅拌20分钟20.]。搅拌时,我们增加了1米氢氧化铵(100毫升)缓慢。这个解决方案是磁搅拌约一个小时,导致一个棕色的解决方案。之后,它受到热液反应,设定温度为7小时170°C。生成的混合物然后用蒸馏水洗净,干为9小时60°C。干粉末退火在300°C 2小时,产生pearl-shaped纳米结构,用近60年代的乙醇。这种混合然后填入孔的氧化铝模板真空渗透技术(20.]。阳极氧化铝模板然后在室温下晾干。这个过程会导致纳米棒一致的发展。这些纳米氧化铝分离制备生物传感器,Mn3O4纳米棒在乙醇用近一个小时,再次清洗残留的乙醇。然后干残留获得60°C 5小时,导致锰的合奏3O4纳米棒没有任何支持。
2.2。制造Pt /锰3O4/ Cn工作电极
工作电极是准备20毫克的锰3O4纳米氧化铝添加到分开5毫升的壳聚糖溶液1通用壳聚糖是分散在100毫升0.1乙酸(13]。这引起了解决方案时,锰3O4- cn悬架组成。锰的3O4- cn电极2时形成的µL整除的均匀涂布在Pt工作电极下降的方法。Pt / Mn的性能3O4- cn为硒和镍电极在湖水是调查检测实时应用程序。起初,电极暴露在不同试验获得复苏飙升不同浓度的硒和镍在支持电解质(10,11]。
2.3。描述
锰的形态3O4纳米氧化铝和Mn分开3O4- cn特点是场致发射光谱电子显微镜(FESEM-JOEL)。FESEM也是用来证实纳米复合材料形成。傅里叶变换红外(ir光谱400年,珀金埃尔默)Mn的光谱3O4- cn和锰3O4- cn / Se和倪是用来证明材料的吸收峰与每个组件。简历是三电极装置,包括工作电极、参比电极和对电极。伏安法的实验都是在室温下进行简历系统(生物sp - 200,德国)涉及Pt /锰3O4壳聚糖电极(工作电极),作为对电极,铂丝和Ag / AgCl作为参考电极。
3所示。结果与讨论
3.1。场致发射光谱和傅里叶变换分析
锰的形态3O4纳米氧化铝是分开使用FESEM见图1(一)。Mn的表面形态3O4- cn使用FESEM观察证实了纳米复合材料的形成,如图1 (b)。这是发现壳聚糖紧密固定在锰3O4纳米棒形成锰3O4- cn纳米复合材料。纳米棒具有良好结合,为硒动员活性表面积。从对锰的平均直径3O4和锰3O4- cn是300±2.3 nm和335±4.7 nm,分别。电极与微孔水彻底清洗和冲洗。
(一)
(b)
3.2。电子阻抗光谱学
电化学阻抗谱(EIS)是一种有效的方法来理解界面电子转移由于在电极表面的变化而被修改(10]。铁(CN)6用作氧化还原探针阻抗测量在PBS进行媒体在Mn吗3O4和锰3O4- cn电极。EIS测量是使用1赫兹到100赫兹5 mV和偏见的交流电压0.5 V(图的潜力2)。更高频率的半圆表示电子转移电阻(Rct以较低的频率),线性部分意味着扩散过程。一个明确的半圆由Mn展出3O4在更高的频率。指出,半圆是减少,这意味着一旦Mn电荷转移电阻3O4修改与Cn。这表明,锰3O4- cn是一个优秀的导电材料,它可以加速电子转移。
3.3。电化学表征
当一个潜在的应用于工作电极,它来回扫描周期的确切数量根据给定范围的电压和电压扫描的速度,和随后的当前工作潜在的测量(5]。然后绘制当前针对可能画一个简历图提供了关于材料的深度知觉有关阳极峰电流(我巴勒斯坦权力机构)氧化过程和阴极峰电流(我个人电脑)的还原过程发生在工作潜力。势,峰值电流发生,被称为峰值电位(Ep)。我们可以检查在电极表面发生反应的可逆性增加扫描率(6]。
电化学可逆反应来自快离子和电极之间的电子转移,这将在不可逆反应慢(6- - - - - -10]。修改Mn的适用性3O4金属- cn作为一个潜在的电化学传感平台解决方案如Se (IV)和镍(II)的沉积电位使用循环伏安法研究了400 mV。所有的实验都是在室温下进行的。进行电化学分析在10毫升电化电池与一个已知数量的Se (IV)和镍(II)在0.1 M磷酸盐缓冲溶液pH值(2)和5毫米Fe (CN)6分别作为支持电解质。
在简历中,电解液有至关重要的作用分析物类型的分散到电极(18- - - - - -20.]。磷酸缓冲溶液(PBS)产生明显和强烈的氧化信号,作为支持电解质,以避免各种干扰的H+和络合物的形成发生在使用盐酸,HNO3,和H2所以4(21]。PBS(0.1米)和5毫米Fe (CN)6作为氧化还原电对作为支持电解质和提供了一个良好的应对硒和镍检测(21]。PBS的pH值检查1 - 6为了探测Se (IV)和镍(II)使用锰3O4- cn传感器(21]。我们观察到金属离子检测的优化条件为100年发生在pH = 2µg / L Se (IV)和镍(II)。伏安响应Pt /锰3O4和Pt /锰3O4壳聚糖电极在PBS(0.1米)和5毫米Fe (CN)6进行速度扫描的100 mVs吗−1(图3)。我们测试了不同扫描速度,但是没有任何巨大的变化获得100 mVs−1。
(一)
(b)
我们注意到裸露的Pt电极在PBS和Fe (CN)6不显示任何峰值电流。当我们使用Pt /锰3O4和Pt /锰3O4- cn电极,电流响应。峰电流与Pt /锰3O4- cn电极与其他电极比这更强烈。这证实了峰值强度由于Pt /锰3O4- cn电极。基于voltammogram的概要,峰电流和峰电位的Se (IV)和镍(II)在0.1 PBS和5毫米Fe (CN)6得到了。循环voltammograms Mn的3O4和修改Mn3O4记录与0.1 PBS 5毫米Fe (CN)6支持电解质,在不同扫描速率(10 - 100 mV / s)。图4情节展示了阳极峰电流与扫描速率的平方根Pt /锰3O4与R2= 0.9768和Pt /锰3O4- cn与R2分别为= 0.9978。各自的曲线方程获得 在哪里R相关系数和吗ʋ是扫描速率(21,22]。显然,Mn的峰值电流3O4- cn高于Mn电极3O4,由于更多的活性表面积,因此,增加电导率添加Cn[之后21]。扫描速率和氧化电流之间的线性关系表明硒和镍的吸附表面的Pt /锰3O4- cn电极由于surface-confined电子转移。此外,电流通过电极扩散限制的硒和镍电极表面。这种扩散变化是由浓度梯度引起的电极附近(19,20.,22,23]。这种梯度是影响硒的浓度和镍电极,它可以扩散的速度通过解决方案(8,21]。因此,扩散系数可以获得使用Randles-Sevcik公式:
因此,获得扩散系数是8.2×10−6厘米2年代−1,在那里我巴勒斯坦权力机构阳极峰电流,一个是活跃的电极表面积,n在PBS移动电子的数量,ʋ是扫描速率,CPBS的浓度(21]。电活性面积是0.055厘米2和0.043厘米2对锰3O4- cn和锰3O4,分别。之后,金属离子溶液的循环voltammograms Se (IV)和镍(II)浓度之间的5µg / L和250µg / L(图观察使用优化的条件4)。增强的电流响应是由于锰的大比表面积3O4- cn。Mn的改进的电化学反应3O4- cn出现由于增强电活性表面积和更高的催化剂的活性锰3O4(4,16]。这种增强电化学电流响应的制服,很好地结合网格Pt /锰3O4- cn电极提供了一个很好的途径通过电子在氧化硒和镍运输通过Mn电极表面离子(4,16]。同时,Mn nanorod-shaped形态的存在3O4- cn电极提供更好的电子和离子运输由于均匀分布的锰3O4- cn而不是散装矩阵(4,16]。通常情况下,电极表面上的氧化还原类型得到吸收,但由于锰的电化学性质3O4,它将减少氧化还原物种,这将使电子的吸收是可逆的电化学原理。这表明,该传感器可以提高电极的电子传递速率提高它的性能。创建更多的导电通路Mn表面的电子转移3O4在PBS - cn [4,16,21]。Se (IV)的峰值电流和镍(II)从400 mV增加到1000 Mn mV因为强烈的吸收3O4- cn传感器。Se (IV)和镍(II)吸附是由于电极和金属离子之间的静电相互作用导致高峰Mn和离子信号由于金属间的关系(16,19,20.,23]。峰的信号也可以出现由于更高的电子传递能力,增加电活性表面,和电导率导致更高的灵敏度对Se (IV)和镍(II)离子。潜力是设定在400 mV,逆转1000 mV的扫描速率100 mV / s。在分析过程中,氧化峰和还原峰检测在730 mV和850 mV Se (IV)与500 mV和600 mV镍(II)、(图4)[11- - - - - -20.,23]。
这些山峰显然与氧化还原反应的Se (IV)和镍(II) Mn的表面3O4- cn。的还原金属离子可以通过不同的机制来实现,整个过程,发生在电极的表面被认为包括减少Se (IV) Se(0)和镍(II)倪(0)。这一事实确认变更的峰值强度在变异的Se (IV)和镍(II)浓度(11]。分析物浓度起到了至关重要的作用在阴极和阳极峰向低转移潜能,但减少的电位差和氧化峰相对一致,如图4。基于voltammogram的概要,峰电流和峰电位的Se (IV)和镍(II)在0.1 PBS和5毫米Fe (CN)6确定。
3.4。扫描速率的变化
扫描速率的影响从25 mV / s - 200 mV / s锰的电化学反应3O4在PBS /壳聚糖电极(0.1)和5毫米Fe (CN)6对250年μg / L Se (IV)和镍(II)。从图5,可以观察到一些阳极峰值出现在潜在约900 mV - 1000 mV,阴极峰时观察到一个潜在的大约350 mV 400 mV。阳极峰(1000 mV和1100 mV)和阴极峰(360 mV和370 mV)观察Se (IV),分别,镍(II),阳极峰从410 mV 650 mV,中间有一个阴极峰800 mV和1000 mV。
具、表面电子转移锰3O4- cn由扩散控制。我们得出结论,Se的工作曲线(IV)和镍(II)调查由浓度至少有限。我们观察到,减少Se(0)和镍(0)对获得较低的潜力。实验完成使用Se (IV)和镍(II) 20µ在0.1 g / L PBS和5毫米Fe (CN)67次的重复扫描25 mV / s的速度,导致只有轻微的电流的变化。
3.5。校准曲线和检出限
装配式Mn3O4- cn电极表现出良好的可重用性、可重复性和稳定性。电极可回收35连续运行,相对标准偏差< 3%,后观察到大量减少,这可能是由于连续沉积的Se(0)和镍(0)在减少(22,23]。Mn的再现性3O4- cn电极被证实使用五种不同集,这显示了出色的再现性的标准差∼0.8%。估计这个电极的稳定性,简历响应记录14天。我们注意到目前的反应是减少了∼4.2%,仍然可以提高存储情况。因此,锰3O4- cn电极提供了改进的稳定性、可重用性和再现性特征对硒(IV)和镍(II)。观察到存在线性校准方程从5到250μg / L。线性回归模型对Se (IV)和镍(II) 5到250μg / L是安装使用以下表达式:
校准曲线的绘制使用峰值电流和Se的浓度(IV)和镍(II)在推荐的条件下数据6和7。
(一)
(b)
(一)
(b)
有一个线性关系在5 - 250的浓度范围μg / L(相关系数R2Se (IV) = 0.952)和镍(II) (R2= 0.984)如图7。
检测极限(LOD)计算 在哪里Cl,年代D,米检测极限,空白的标准偏差,和校准曲线的斜率(22]。LOD获得0.533μgL−1Se (IV)和镍(II),它是0.718μgL−1分别检测时间为18岁。制作传感器显示令人满意的检测极限和不同探测距离实用价值的必要条件。表1揭示了Mn的优越特性3O4- cn电极检测硒和镍与报告值。
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3.6。干扰
检测Se (IV)和镍(II)的额外的常见离子在水中的高重要性和意义(5- - - - - -21,23,24]。因此,各种离子的干扰像Cd2 +、镁2 +、铁2 +,因为2 +,阿宝43−,我−、铜2 +、溴−、铅2 +,李2 +,英航2 +,所以42−检查在5倍浓度的50个吗µ硒和镍的g / L。结果与每个离子反应后确认可以忽略干扰Se (IV)和镍(II)当前在50岁µg / L, 100µg / L, 100µg / L的干扰离子浓度(图8)。物种评估不能产生任何范围内的电流信号voltammograms中使用的潜力。然而,减少电流观察1000年的存在µg / L的李(II)。但是,这么多的概率存在的干扰离子的浓度以及Se (IV)和镍(II)的水可以忽略不计。所以,发达传感器可用于检测Se (IV)和镍(II)的水。从有机化合物也访问推理很重要因为自然水含有他们(24,25]。我们做每一个有机化合物的提取的样本和干它。干燥过程后,每个化合物的重量是(11- - - - - -20.,23,24]。提取L -半胱氨酸等有机化合物的容忍度,十二烷基苯磺酸钠,聚乙二醇mono-p-nonyl苯基醚、L和EDTA-2Na 1.2毫克−1,0.9毫克−1,1.0毫克−1L和0.09毫克−1分别为(6]。
3.7。实时分析
分析完成的实际应用为目的的Pt /锰3O4- cn电化学传感器在环境检测Se (IV)和镍(II)在现实样本,自来水(圣Berchmans大学实验室)和湖水(印度南部喀拉拉邦)。样品的pH值在如上所述的最佳条件。标准添加法作为验证评估方法的适用性分析测定硒和镍使用该技术。后天水样第一次0.45微米过滤器过滤去除悬浮粒子,然后加上10µ硒和镍的g / L。标准添加法,10毫升电化学细胞组成2毫升的自来水和湖水样本或者,1毫升0.1 PBS和Se (IV)和镍(II)浓度连续分析。即使没有飙升,Mn3O4- cn电极敏感到足以Se (IV)和镍(II)在自来水确保其适用性和敏感性。有必要验证这种方法的准确性;因此,电极通过认证测试参考材料(TM-15)的浓度为15µg / L Se (IV)和镍(II)。然而,另一种方法使用icp水样做是为了明确排除任何来自外国的干扰离子。我们观察到合理恢复显示,Mn的能力3O4检测Se - cn (IV)和镍(II)真正的水样。进行分析得到在5.98%的相对误差的四Pt /锰3O4- cn。然而,任何重大理论和实验值之间的差异。表2总结了Se的分析结果(IV)和镍(II)浓度在自来水和湖水在四个复制分析。
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湖水样本具有较高的硒浓度与参考世界卫生组织(世卫组织)的方针10μ为Se (IV)和20 g / Lμg / L镍(II)。但是,一个更高的浓度在萨默斯所指出的,在季风季节,低浓度记录。这可能发生由于更高的雨水径流和稀释流。Se的浓度(IV)和镍(II)在自来水中限制的指导方针。我们的预测技术可用于自然水样的物种形成调查与适当的结果。我们也收集了样本湖在夏季时上面的工厂关闭是由于罢工一个月。结果是值得注意的,因为减少的痕迹Se (IV)和镍(II)收集到的样本和详细的表3。
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4所示。结论
Se (IV)的检测,并使用锰镍(II)3O4- cn是成功了。在低浓度,简历是一个更合适的方法(IV)和镍(II)表现出伏安特征波的峰值高度与硒浓度有关。Mn的工作电极3O4- cn捏造,用来评估硒的伏安行为和镍使用循环伏安法方法。简历是一个相关的技术理解electrode-solution界面电子转移,特别是低浓度。支持电解质浓度、扫描速度和循环重复是观察到的数量影响硒和镍的形状和强度峰值简历的结果表明,锰的存在3O4有助于使电化学可逆的电子转移。优化参数的技术进行了并行程序集的Mn一致的和可重复的结果3O4,这加剧了当前的反应。锰3O4- cn电极提供了低成本的优势,检出限低、响应时间、低,灵敏度高。倪Se和氧化还原反应似乎活动更快和更可逆的。检测到硒和镍浓度在自来水和湖水。Pt /锰3O4- cn成功从事实际水样的分析,结果与icp分析回收率大于96%。由于制作电极的实际保护对常见干扰离子在量化过程中,它是有效地验证实际水样分析。我们获得的结果有限制浓度低于5µg / L和检测到的浓度更高的物种。进一步的工作正在演示这些传感器用于测试沉积物样品的使用提供现场快速分析硒和镍使用微分脉冲伏安法。
数据可用性
已经获得的数据绘制图表。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢化学科学学院,MG大学和CSIR-CECRI提供设施进行电化学分析。作者也承认光电子学部门,喀拉拉邦FESEM大学。作者感谢中央仪器设施,圣Berchmans学院Changanassery,使用光谱红外光谱分析2。
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