Small Methods:二维红磷纳米片的形貌调控及芳香胺的电化学传感研究

红磷因其价廉易得、稳定性高而备受关注,然而常规的红磷存在尺寸大、导电性差、传感活性低等不足。因此,以商品化红磷为原料,简便地制备出形貌可控的红磷纳米片(RPNSs),并与高导电性材料(如二维石墨烯)复合,是提高其电化学传感性能的一种有效策略。

最近,华中科技大学吴康兵教授课题组与根大学杨年俊教授课题组开展了RPNSs与石墨烯(GR)原位复合制备、形态调控以及电化学传感机制与应用的研究。磷胺法是一种新兴的合成方法,亲核试剂乙二胺与商业红磷反应诱导产生聚磷离子 (Pn),在加入亲电试剂(如H2O、HCl)后,会发生 Pn 的分解反应而形成RPNSs。在此过程中添加GR就可以获得均匀的复合材料GR/RPNSs。而溶液亲电性的增强会使得RPNSs的生长速度加快,导致GR表面的RPNSs的密度和宽/厚度发生变化。由此,通过控制HCl浓度可简便地调控GR/RPNSs复合材料的形貌和电化学传感性能,在亲电试剂为 0.01 M HCl 中所生成的GR/RPNSs具有均匀的分布和独特的二维-二维堆叠结构,这使其展现出高效的电子转移速率、更多的活性区域以及优异的电化学传感性能。与单独的GR和RPNSs相比,GR/RPNSs复合材料对芳香胺的电化学氧化表现出更高的催化活性和更显著的信号增强效应。基于密度泛函理论计算和XPS数据,发现苯胺(ANI)的氧化过程中,RPNSs 和 ANI 之间形成了N-P共价键,且随着 ANI 的去质子化, ANI 在 RPNSs 上的化学吸附逐渐增强,结合能达到-2.31eV。进一步探讨了ANI的对位取代基的影响,当对位取代基为给电子基团时(如对苯二胺),GR/RPNSs的电化学增敏效应更加显著;而对位取代基为吸电子基团(如对硝基苯胺)时, GR/RPNSs并未表现出明显的增敏效应,这主要是由于此类芳香胺的亲核性和失质子能力降低。最后,研究了GR/RPNSs复合材料在同时高灵敏检测苯胺和对苯二胺方面的应用潜力。该研究可为构建其他种类的RPNSs复合材料提供借鉴,有利于拓展纳米红磷的电化学传感应用。

华中科技大学化学与化工学院吴康兵教授与锡根大学杨年俊教授为本论文的共同通讯作者,华中科技大学化学与化工学院博士生刘凌波为本论文第一作者。此研究受到了国家自然科学基金(Nos. 21976062 & 21775050)的支持。

论文信息:

Two-Dimensional Red Phosphorus Nanosheets: Morphology Tuning and Electrochemical Sensing of Aromatic Amines

Lingbo Liu, Jian Shen, Kangbing Wu*, Nianjun Yang*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100720

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.202100720