黄行九团队:巧妙设计异质结光电催化剂,超高灵敏度检测有机农残毒死蜱
陈石华 纳米人 2020-03-26

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第一作者:陈石华、肖向予、李培华

通讯作者:黄行九、郭正、杨猛

通讯单位:合肥物质科学研究院、中国科学技术大学、安徽大学

 

研究亮点:

1. 设计制备了一种具有中空结构的直接Z型光催化异质结ZnS/Co9S8

2. 构筑的基于ZnS/Co9S8光电传感器实现了对农残毒死蜱的高灵敏高选择性检测。

 

毒死蜱检测的重要性

为了提高农作物的产量,有机磷农药被广泛用于农业生产中。与其它有机磷农药相比,毒死蜱的使用量位居榜首,但其残留对人体与生态环境造成危害的新闻报道也层出不穷。因此发展高灵敏性、高选择性、简单快速的毒死蜱残留检测新方法尤为重要。

 

光电化学检测方法

近几年,光电化学检测方法因具有灵敏度高、响应快速、设备简单、易微型化等优点,得到了广泛的关注。光电检测在有机污染物的检测也取得了一些进展,但设计无生物分子标记的高灵敏高选择性光电化学敏感界面方面仍然面临严峻的挑战。

 

直接Z型异质结

直接Z型异质结材料因其能带结构的特殊形式,其光生载流子能更快地分离并减少了它们的复合,具备优异的催化性能,被广泛应用在水的分解、CO2的还原、降解有机物等研究领域,代表了当前最前沿的新能源利用和环境净化的发展趋势。在光电传感界面的构筑上,也有一定的应用潜力。

 

拟解决或者拟探索的关键问题

1. 设计直接Z型异质结,并用于构筑无生物分子标记的光电敏感界面。

2. 实现对有机农药毒死蜱的高灵敏高选择性光电检测。

 

成果简介

有鉴于此,近期,合肥物质科学研究院黄行九研究员研究小组首次设计制备了一种具有中空结构的直接Z型光催化异质结ZnS/Co9S8。利用有机磷农药毒死蜱对该材料的光催化性能的淬灭作用,构筑的基于ZnS/Co9S8光电传感器实现了对有机污染物毒死蜱的高灵敏高选择性检测。


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要点1:首次设计制备了一种具有中空结构的光催化异质结ZnS/Co9S8

首先,研究团队借助模板法、水热合成法成功制备了ZnS纳米颗粒均匀负载在Co9S8 中空纳米立方块上的复合材料。


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图丨材料的合成与表征。

 

要点2:表征ZnS/Co9S8的能带结构

研究人员通过紫外-可见光-红外漫反射吸收光谱、莫特肖特基测试,分别表征了ZnS和Co9S8的带隙及导带位置,从而得到了所合成的异质结的能带结构示意图,其符合直接Z型异质结的能带特征,PL光谱及一系列光电表征也表明直接Z型异质结ZnS/Co9S8具备更优异的光催化性能。


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图丨材料的能带结构表征及PL光致发光光谱。

 

要点3:构筑光电化学传感器用于毒死蜱的检测

通过毒死蜱利用有机磷农药毒死蜱对ZnS/Co9S8的光催化性能的淬灭作用,所构筑的传感平台可以实现对0.05 ppb-40 ppb 的毒死蜱的线性检测,检测限为0.0166 ppb。而且,传感器表现出优异的稳定性和选择性,可用于水环境中毒死蜱的检测。


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图丨传感器的检测性能。

 

要点4:传感机制分析

该课题组根据半导体材料的能带结构设计的直接Z型异质结使光电材料的光生载流子更快地分离并减少了它们的复合,从而提高了光催化性能;加上中空立方块的结构极大地增强了光电材料对光的吸收,这些设计都提高了传感器对毒死蜱的灵敏度。

 

此外,研究小组也首次发现,光电传感器的高选择性归因于ZnS/Co9S8异质结表面上的Co位点与毒死蜱中相邻的S和N原子之间的特异性结合。


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图丨检测机理示意图。

 

小结

该研究为设计更简便的高灵敏高选择性光电敏感界面提供了一种新的思路,即可通过设计基于直接Z型异质结构筑光电敏感界面,这在光电检测惰性有机污染物方面具有巨大潜力。该工作在环境检测领域具备一定代表性,相关工作作为封面(front outside cover)文章发表在Environmental Science Nano 期刊上,并被收集到Environmental Science: Nano Recent HOT Articles (rsc.li/esnano-hot)

 

六、参考文献及原文链接

Shi-Hua Chen, et al. A direct Z-scheme ZnS/Co9S8heterojuncti-based photoelectrochemical sensor for the highly sensitive andselective detection of chlorpyrifos. Environ. Sci.: Nano, 2020, 7, 753

https://doi.org/10.1039/C9EN01265F

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/en/c9en01265f#!divAbstract

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