【好文分享】光电催化传感| ACS | MXenes衍生TiO2-x修饰Cu2O/Cu纳米线用于H2O2的电化

研究速览

■ 近日，中国海洋大学王文泰副教授与格里菲斯大学李勤教授合作，在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表题为“Electrochemical and Photoelectrochemical Detection of Hydrogen Peroxide Using Cu2O/Cu Nanowires Decorated with TiO2-x Deriving from MXenes”的研究工作，该工作提出了一种基于MXenes 衍生TiO2的新型材料表面修饰方法，在制备Cu2O/Cu纳米线的过程中一步实现材料的复合，得到了 MXenes 衍生TiO2-x装饰的 Cu2O/Cu纳米线，并用于H2O2的非酶电化学和光电化学检测。 该传感器上装饰的源自Ti3C2 MXene的不规则TiO2-x纳米粒子显著提高了Cu2O/Cu纳米线对H2O2的检测能力，TiO2-x/Cu2O/Cu-NW 电极在 EC 和 PEC 操作模式下都具有出色的 H2O2检测选择性、稳定性和重现性。该工作报道的基于 MXene 衍生TiO2-x的材料修饰策略，在其它材料的TiO2修饰中同样具有非凡潜力。

Part1

▉  研究摘要  ▉

■ H2O2是电化学过程中氧化还原信号的主要传递体，广泛存在于食品工业、环保、生命科学、制药等领域。参与代谢过程的H2O2会产生羟基自由基加速人体细胞老化，高浓度的H2O2会损伤胃肠道粘膜，引起一系列疾病。因此，对H2O2进行可靠、灵敏、快速的检测，开发低成本和易操作的H2O2传感器引起了科研人员的极大兴趣。基于此，中国海洋大学王文泰教授课题组开发了一种由Ti3C2 MXene衍生的不规则TiO2-x纳米颗粒装饰的Cu2O/Cu纳米线，用于H2O2 的非酶检测。在EC和PEC操作模式下，TiO2-x/Cu2O/Cu-NW电极对H2O2检测具有优异的选择性、稳定性和可重复性。在电化学检测H2O2时，TiO2-x/Cu2O/Cu-NW电极在10 μM - 42.19 mM范围内呈线性关系，低检出限为0.79 μM (S/N = 3)，与商用H2O2分析仪(0-5.88 mM, Q45H/84, US-QContums)相比，表现出几乎相同的检测效果，但其线性范围更宽。该电极对橙汁和牛奶样品中H2O2的回收率为96.9 - 105%，具有较好的实际应用价值。在对H2O2的PEC检测中，TiO2-x/Cu2O/Cu-NWs电极的检出限极低，为59 nM (S/N = 3)，检测限是EC电极的13倍。电极PEC性能的提高可以归因于TiO2-x和Cu2O之间形成p-n异质结，提高了光利用率，抑制了光诱导电子和空穴的复合。

Part2

■ 研究要点1：

作者采用HF对MXene进行刻蚀，通过高温煅烧及氢化作用在MXene片层上原位合成了含有氧空位的TiO2-x纳米颗粒。随后，在热碱条件的作用下将TiO2-x纳米颗粒从MXene片层中刻蚀下来，并且通过静电吸附作用紧密的包裹在Cu2O/Cu纳米线上。这一新的制备方法得到了含有Mxene片层结构的TiO2-x纳米颗粒，具有较大的比表面积，其性能优于传统工艺制备的TiO2纳米颗粒。

图1.TiO2-x/Cu2O/Cu-NW电极制备过程及不同步骤的扫描电镜图。

■ 研究要点2：

作者首先进行H2O2电化学检测实验，结果表明，TiO2-x/Cu2O/Cu-NW电极在10 μM - 42.19 mM范围内呈线性关系，检出限低至0.79 μM (S/N = 3)。将电极与商用H2O2分析仪(0-5.88 mM, Q45H/84, US-QContums)进行实时的同步检测，其检测效果基本相同。TiO2-x/Cu2O/Cu-NW电极对H2O2检测具有优异的选择性、稳定性和重现性。另外，通过真是样品的检测实验，对橙汁和牛奶样品中H2O2的回收率达到96.9 - 105%，具有较好的实际应用价值。

图2. 电化学检测结果及与商用检测仪对比结果。

■ 研究要点3：

作者对H2O2进行光电检测验证，通过UV–vis DRS spectra及Mott–Schottky plots曲线证明了TiO2-x和Cu2O之间形成p-n异质结，光吸收能力提高，抑制了光生电子和空穴的复合。TiO2-x/Cu2O/Cu-NW电极在全波段的光照下检测H2O2，表现出较好的稳定性，重现性和选择性，其检测限低至59nM。同时，分别在紫外及可见光下验证了其对H2O2的检测具有相似的灵敏度。

图3. 光电化学检测结果及机理解释。

Part3

▉  研究总结  ▉

■ 作者提出了一种新的基于MXene衍生TiO2-x形貌设计的新方法，采用简单的溶剂热法将片层状MXene中衍生出的TiO2-x纳米颗粒刻蚀掉，并通过静电作用使其紧密的包裹在Cu2O/Cu-NW上。对TiO2-x/Cu2O/Cu-NW在电化学及光电化学检测H2O2进行了深入研究。这一含有氧空位的不规则的TiO2-纳米颗粒为H2O2的检测提供了更大的比表面积及更多的活性位点，其检测效果与商用的H2O2检测仪相媲美。在EC和PEC检测过程中表现优异的选择性、稳定性和重现性，同时在真实样品检测中也表现出较高的实际应用价值。该工作提出的 MXene 衍生的TiO2-x修饰工艺具有较强的适应性，可用于其它材料的修饰，在光、电化学领域具有非凡潜力。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c19531