Advanced Materials:纳米结构纤锌矿氧化锌对抗坏血酸的高性能压电催化传感

L-抗坏血酸(AA)是许多生物体的关键营养素,也是抗氧化剂和防腐剂的酸度调节剂。它还常用于预防和治疗坏血症、癌症、感冒、艾滋病等疾病。设计高性能电化学传感器用于快速准确地定量食品或生物体液中的AA浓度对临床诊断、可穿戴健康监测、食品安全、环境监测等方面至关重要。然而,AA在裸电极表面的直接电氧化是不可逆的,反应的后续水解会导致电极污染、过电位大、选择性差、灵敏度低、重现性差等问题。由于使用贵金属等昂贵的材料,以及苛刻的实验控制条件,生产纳米结构AA催化剂的成本通常很高。因此,用于检测AA的低成本高性能电化学传感器的设计仍是一项重大挑战。压电催化可以通过应变诱导压电场提高催化过程的效率。污染物、染料、药物等化学物质在与压电材料接触时会发生热力学还原或氧化反应。压电催化过程的效率可以通过设计压电材料的类型、尺寸和形态并控制机械刺激(例如应变、压力等)来调节。设计合理的具有催化活性的纳米结构压电半导体有望解决当前AA催化剂面临的挑战,通过低成本的电催化途径增强AA的传感检测。

最近,美国普渡大学武文倬教授、爱达荷国家实验室丁冬教授、青岛科技大学罗细亮教授合作,设计了一种用于检测AA的高性能压电催化传感器,其电催化效率因纳米结构半导体ZnO催化剂中诱导的压电极化电荷而显著提高。研究人员首先制备了ZnO纳米棒(ZnO NRs)和纳米片(NSs)来表征和比较它们对AA压电催化的功效,并使用有限元法(FEM)模拟纳米结构ZnO催化剂中压电势的分布。通过阐明应变ZnO纳米结构与AA之间的电荷转移,建立了压电电位与压电催化效率之间的关系。形变的ZnO NRs和NSs对AA的催化效率提高,与未形变的ZnO NRs和NSs相比,分别提高了4.72倍和 0.5 倍。本工作中制造的AA传感器表现出较宽的实际检测范围(形变ZnO NRs为10 μM-2.9 mM,形变ZnO NSs为10 μM-3.4 mM)和低检测限(形变ZnO NRs为0.48 μM,形变ZnO NSs为0.72 μM,S/N = 3),优于很多已报道的AA传感器。这证明了压电催化过程可以利用浪费的环境机械能(例如,风能、波浪能、潮汐能、生物机械能等)来提高电催化效率。压电-电催化的概念可以扩展到生物医学、制药、和农业领域的许多其他催化过程。此外,ZnO纳米结构的水热合成还允许低成本、大规模的生产制造。还可将压电增强型AA传感器集成到柔性基质中,用于制备实时和无创监测抗坏血酸的可穿戴传感器,还可用于汗液中其他分子的检测,如乳酸、尿酸、葡萄糖、咖啡因等,其中传感器性能可以通过人类产生的机械信号来提高。

图1. ZnO纳米棒(ZnO NRs)(a,c-e)和ZnO纳米片(NSs)(b,f-g)的SEM图像和元素分布图。ZnO NRs和NSs的XRD图谱(i)和N2吸附-解吸等温线(j)。
图2 ZnO材料的压电势分布:底部固定并接地的ZnO NR在轴向力(a)和横向力(b-c)(F=80 nN)作用下的FEM模拟。ZnO纳米片在轴向力下(d)和横向力(e-f)作用下的FEM模拟。压电效应增强电催化的原理图(g-h),包括能带倾斜和应变下的表面反应。
图3 ZnO纳米材料的电催化性能。(a)压电ZnO/ITO-PET增强抗坏血酸电催化的实验装置。(b-c)ZnO NRs、NSs和控制条件(仅应变)下,AA在0.4%拉伸应变下的电催化。(d)ZnO NRs和NSs的EIS响应。(e)ZnO NRs和NSs变形前后AA催化反应动力学的变化率。(f)与已报道的催化剂性能对比。不同应变(0.2%、0.4%和0.6%)下ZnO NRs(g)和NSs(h)的AA电催化。(i)不同应变(0.2%、0.4%和0.6%)下的反应动力学。

论文信息:

High-Performance Piezo-Electrocatalytic Sensing of Ascorbic Acid with Nanostructured Wurtzite Zinc Oxide

Nianzu Liu, Ruoxing Wang, Shengjie Gao, Ruifang Zhang, Fengru Fan, Yihui Ma, Xiliang Luo*, Dong Ding*, Wenzhuo Wu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202105697

原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202105697