科學(xué)家發(fā)現(xiàn)納米二氧化錫單晶低能{110}面的電化學(xué)傳感新效應(yīng)

　　二氧化錫（SnO2）是一種典型的寬帶隙（3.6eV）n-型半導(dǎo)體材料，由于表面氧缺陷以及量子尺寸效應(yīng)，使得其被廣泛地應(yīng)用于氣敏傳感器中。然而，目前為止，納米SnO2不同的晶面對(duì)重金屬離子的電化學(xué)敏感性能卻鮮有報(bào)道。近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所研究員黃行九課題組發(fā)現(xiàn)了納米SnO2低能{110}面對(duì)重金屬離子如Pb(II)與Cd(II)增強(qiáng)的電化學(xué)敏感行為，并揭示其響應(yīng)機(jī)制。相關(guān)成果已發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)《分析化學(xué)》（Anal. Chem. 2017, 89, 2613−2621）雜志上。

　　研究人員設(shè)計(jì)制備三種不同形貌的SnO2納米結(jié)構(gòu)材料用于水中重金屬離子電化學(xué)分析。結(jié)果表明，重金屬離子如Pb(II)與Cd(II)在SnO2納米結(jié)構(gòu)材料不同晶面靈敏度的順序?yàn)椋旱湍躿110}面>高能{221}面。吸附與脫附實(shí)驗(yàn)揭示了Pb(II)與Cd(II)在SnO2納米結(jié)構(gòu)材料不同晶面脫附能力與電化學(xué)響應(yīng)順序一致，盡管Pb(II)與Cd(II)在SnO2納米結(jié)構(gòu)材料低能{110}面上的吸附量遠(yuǎn)小于高能{221}面，然而其在低能{110}面上容易脫附到電極表面，因而在低能{110}面上能獲得優(yōu)異的電化學(xué)性能。同時(shí)，研究人員與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度國(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授李群祥合作利用DFT模擬實(shí)驗(yàn)過程，理論計(jì)算結(jié)果表明，Pb(II)在SnO2納米結(jié)構(gòu)材料低能{110}面上擴(kuò)散能為0.63 eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在高能{221}晶面上的吸附能1.88eV。此外，借助上海同步輻射裝置（BL14W1線站），研究人員利用XAFS光譜解析了Pb(II)在SnO2納米結(jié)構(gòu)材料低能{110}與高能{221}面上的結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究結(jié)果表明，吸附在低能{110}面上的Pb(II)的Pb-O鍵的鍵長(zhǎng)大于高能{221}面。DFT計(jì)算與XAFS光譜解析相結(jié)合從原子層面上解釋了暴露不同晶面的SnO2納米結(jié)構(gòu)材料對(duì)Pb(II)與Cd(II)不同的電化學(xué)響應(yīng)機(jī)制。

　　該工作從原子層面上揭示了晶面對(duì)電化學(xué)行為的影響機(jī)制，對(duì)深入理解電化學(xué)行為與晶面之間的關(guān)系具有重大意義，對(duì)于從源頭上設(shè)計(jì)電化學(xué)傳感界面以改善其性能具有理論上的指導(dǎo)意義和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

　　該研究工作得到了中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目及上海同步輻射裝置（BL14W1線站）的支持。

　　圖：a), b)與c)分別是暴露不同晶面的三種形貌SnO2的掃描電鏡圖；d)與e)分別是SnO2對(duì)Pb(II)與Cd(II)電化學(xué)響應(yīng)的晶面效應(yīng)比較圖；f)與g)是Pb(II)在SnO2的{110}與{221}面上的擴(kuò)散過渡態(tài)結(jié)構(gòu)圖；h)與i)分別是歸一化的Pb吸附在暴露不同晶面的SnO2上的LIII-EXAFS與相應(yīng)的擬合的傅里葉變換的EXAFS譜圖。