综述：过渡金属氧化物电极材料在重金属离子电化学传感器中的前沿进展与挑战

《Talanta》：Transition metal oxide electrode materials in electrochemical sensors for heavy metal ions: cutting-edge developments and challenges

本综述系统阐述了过渡金属氧化物（TMOs）在重金属离子（HMIs）电化学检测中的前沿应用，重点探讨了氧化铁、氧化锌等材料的性能优化策略（如纳米结构调控、复合材料设计），并针对当前面临的pH适用范围窄、稳定性不足等挑战，展望了绿色传感器构建、设备智能化等未来方向，为开发高性能电化学传感器（CV/DPV/SWASV技术）提供重要参考。

　　

TMOs-based nanomaterial-modified electrodes

过渡金属氧化物（TMOs）主要分为尖晶石结构、层状结构和硫属化合物型结构三类。其中尖晶石结构的TMOs主要包括单组分和多组分TMOs（如Co₃O₄、FeO、NiFe₂O₄、LiMn₂O₄等）。这些材料具有高比表面积和导电性，为重金属离子（HMIs）检测奠定了基础。Co₃O₄因其优异的催化活性和稳定性被广泛应用于电化学传感器领域。

Iron oxides

铁氧化物是重要的TMOs，铁在3d轨道具有独特的6电子分布。凭借化学稳定性和高催化活性，它们被广泛应用于磁性材料、颜料、生物医学和电化学传感器。目前用于电化学检测HMIs的主要物质是Fe₂O₃和Fe₃O₄。Wu等人通过简易水热法制备了单分散球形Fe₂O₃纳米粒子（Fe₂O₃ NPs），展现出对Pb²⁺和Cd²⁺的高灵敏度检测能力。

Challenges

尽管TMOs基纳米材料在HMIs电化学检测中取得进展，仍面临诸多挑战。电化学传感活性和选择性是关键难题：在复杂水环境中，TMOs易发生结构变化，影响表面活性位点的性质和数量，导致检测性能下降。实际水样中干扰离子（如Cu²⁺、Zn²⁺）的存在会竞争电极表面的活性位点，降低对目标离子的选择性。此外，TMOs的稳定性问题（如溶解、聚集）和pH适用范围限制（多数TMOs在极端pH下性能不稳定）也制约其实际应用。

Performance improvement strategies

针对当前研究的挑战，本文提出了通过优化材料微观结构、测试条件以及使操作环境与传感器性能相匹配的策略来提升HMIs电化学检测性能。具体包括：开发多功能复合材料（如TMOs与碳材料、聚合物的复合）、精确调控纳米结构（增加比表面积和活性位点）、优化检测参数（沉积电位、时间等）以及使用选择性修饰膜减少干扰。

Perspective

未来研究可重点关注以下方向以克服现有TMOs电极材料的局限性：开发智能便携式设备实现现场快速检测；构建绿色环境友好型传感器；通过机器学习辅助材料设计与性能预测；深入研究TMOs与HM相互作用的机理（如表面缺陷、氧空位(OVs)的作用），为高性能传感器的理性设计提供理论基础。