有机修饰剂辅助的纳米TiO?结构调控，以优化水体系中铅的电化学传感性能

《Surfaces and Interfaces》：Organic Modifier-Assisted Structural Tuning of Nano-TiO? for Optimized Electrochemical Sensing of Lead in Aqueous System

重金屬鋁（Pb2?）污染的電化學檢測研究：以NA修飾TiO?為例，通過水熱法合成取向TiO?，利用XRD、FTIR、拉曼等分析 confirmed NA修饰的TiO?具有最小的結晶顆粒尺寸、最大的比表面積及優異的光催化性能和熱穩定性，在K4[Fe(CN)6]溶液中表现出高灵敏度和寬線性範圍（5–100 ppm），檢測下限11.71 ppm，灵敏度1.8039 A/ppm。

　　本研究聚焦于通过有机修饰剂的辅助，采用水热法合成具有特定晶面取向的二氧化钛（TiO?），并将其应用于铅离子（Pb2?）的电化学传感。随着工业化和科技的发展，重金属污染问题日益严重，尤其是铅这种具有高度毒性的元素，其污染已成为全球环境和健康领域关注的重点。铅可以通过摄入、吸入或皮肤接触等途径进入人体，积累在软组织和重要器官中，从而增加患肾癌、肺癌和脑癌等疾病的风险。鉴于铅在环境中的持久性及其缓慢的代谢过程，对铅污染的监测显得尤为重要。因此，开发高效、灵敏且经济的检测手段，对于环境和健康领域的研究具有现实意义。

在众多重金属检测方法中，电化学技术因其高灵敏度、快速响应、操作简便以及低成本等优势，逐渐成为研究的热点。其中，循环伏安法（CV）和阳极溶出伏安法（ASV）在痕量金属检测中表现出卓越的性能。这些方法不仅能够提供准确的检测结果，还能在短时间内完成分析，从而提高了检测效率。然而，传统的电化学传感器往往存在一定的局限性，例如对目标离子的选择性不足、检测限较高、响应速度较慢等问题，限制了其在实际环境中的应用。

为了克服这些局限性，研究者们尝试通过表面修饰技术来改善电化学传感器的性能。其中，晶面工程（facet engineering）作为一种有效的手段，通过调控纳米材料的晶面暴露比例，可以显著增强其表面活性和电化学性能。TiO?作为一种重要的金属氧化物，因其优异的光学和电子特性，被广泛应用于光催化、传感器、光伏器件和光电子设备等领域。然而，TiO?的晶面暴露比例对其性能有着重要影响，其中{001}晶面由于其较高的表面能（0.90 J/m2），相较于热力学稳定的{101}晶面（0.44 J/m2）表现出更强的反应活性。但{001}晶面的合成较为困难，因为其在自然和合成条件下往往不稳定，导致大多数TiO?样品主要暴露{101}晶面。

基于上述背景，本研究采用水热法合成了一种具有{001}/{101}共暴露晶面的TiO?，并使用有机修饰剂如萘（NA）、柠檬酸（CA）和棕榈酸（PA）进行表面调控。水热法作为一种简便、经济且环保的合成方法，能够有效控制产物的形貌、结晶度和晶面暴露比例。与其他合成方法（如溶胶-凝胶法、火焰喷射法、化学气相沉积法等）相比，水热法的优势在于其操作条件温和、能耗低，并且能够直接生成单晶材料，无需后续处理。这些特性使得水热法合成的TiO?特别适用于光催化和电化学传感等应用。

在本研究中，通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱等手段对合成样品进行了表征。结果表明，NA修饰的TiO?样品主要暴露了{001}/{101}共暴露晶面，而CA和PA修饰的样品则表现出不同的晶面取向。其中，NA修饰的TiO?具有最小的晶粒尺寸，这不仅增加了其比表面积，还对光催化性能产生了积极影响。此外，扫描电子显微镜（FESEM）图像进一步验证了NA修饰样品在结构上的显著变化，显示出更均匀的纳米结构和更高的表面活性。

通过循环伏安法和阳极溶出伏安法对NA修饰的TiO?传感器进行了性能评估。实验结果表明，该传感器在检测Pb2?离子方面表现出优异的性能，包括较低的检测限（11.71 ppm）、较高的灵敏度（1.8039 A/ppm）以及较宽的线性响应范围（5–100 ppm）。这些性能指标不仅优于其他修饰样品，也表明该传感器在实际应用中具有较大的潜力。同时，该传感器还展现出良好的热稳定性，使其能够在较宽的温度范围内保持稳定的检测性能。

有机修饰剂在TiO?表面调控中扮演了重要角色。它们不仅可以稳定高能晶面，还能增强电子耦合效应，促进电荷载体的分离，并为分析物的吸附提供额外的结合位点。例如，使用萘作为修饰剂，可以有效抑制{101}晶面的过度生长，同时稳定{001}晶面，从而实现{001}/{101}共暴露结构的形成。这种结构的优化显著提升了TiO?的电化学性能，使其在Pb2?离子检测中表现出更高的灵敏度和选择性。此外，萘还能够促进界面电子相互作用，加快电荷转移过程，从而进一步提高传感器的响应速度和检测精度。

本研究的创新点在于，通过系统性的有机修饰剂辅助晶面工程，成功实现了TiO?表面结构和电子性能的协同优化。这种策略不仅提高了传感器的性能，还为开发低成本、环保型的重金属检测方法提供了新的思路。此外，本研究采用的水热法合成工艺，避免了使用有害化学试剂，符合绿色化学的发展趋势，有助于推动可持续的环境监测技术。

从应用角度来看，本研究合成的NA修饰TiO?传感器具有广泛的适用前景。其高灵敏度和良好的稳定性使其能够适用于现场快速检测，特别是在缺乏专业实验室设备的地区。同时，由于其结构和性能的可调控性，该传感器还可以进一步优化，以检测其他重金属离子或用于其他类型的环境监测任务。此外，该研究还为TiO?在光催化和能量转换等领域的应用提供了新的思路，展示了有机修饰剂在调控纳米材料性能方面的巨大潜力。

在环境监测和健康防护领域，铅污染的检测和控制至关重要。传统的检测方法虽然准确，但往往需要昂贵的设备和复杂的操作流程，限制了其在基层和现场的应用。相比之下，本研究开发的NA修饰TiO?传感器具有成本低、操作简便、检测速度快等优点，能够满足实际应用的需求。此外，该传感器的生物降解性也使其在环境友好性方面具有优势，有助于减少检测过程中的二次污染。

通过本研究，我们不仅验证了有机修饰剂在调控TiO?晶面取向中的有效性，还为电化学传感器的开发提供了新的理论支持和技术路径。研究结果表明，通过合理选择有机修饰剂并优化合成条件，可以显著提升纳米材料的性能，进而改善传感器的整体表现。这为未来开发更高效、更环保的重金属检测方法奠定了基础。

本研究的实施还得到了Bangladesh Council of Scientific and Industrial Research（BCSIR）的资助，支持了相关材料的合成与表征工作。此外，研究团队在实验设计和数据分析方面也进行了深入探讨，确保了研究结果的科学性和可靠性。通过团队成员的共同努力，本研究不仅在技术层面取得了突破，还在实际应用中展现了巨大的潜力。

综上所述，本研究通过有机修饰剂辅助的晶面工程，成功合成了具有优异电化学性能的TiO?纳米材料，并将其应用于Pb2?离子的检测。该方法不仅降低了检测成本，还提高了检测效率和准确性，为重金属污染的实时监测提供了新的解决方案。未来，随着相关技术的进一步发展和应用的不断拓展，这类基于有机修饰剂的传感器有望在环境监测、食品安全、公共卫生等领域发挥更大的作用。