兴义民族师范学院张仟春老师研究团队关于新型催化发光传感器研究成果

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2024/09/30 10:19

兴义民族师范学院张仟春老师研究团队开发了一种基于介孔二氧化硅纳米球的高效催化发光（CTL）传感器，用于异丁醛的快速、灵敏检测。这一研究成果发表在国际期刊《ACS Applied Nano Materials》上（ACS Appl. Nano Mater. 2024, 7, 19056−19064）。该传感器的创新设计为挥发性有机化合物（VOCs）的检测提供了一种低成本、高效的解决方案，具有广泛的环境和工业应用前景。

一、背景介绍

异丁醛是一种重要的化学中间体，广泛用于合成多种高附加值化学品，如异丁酸、异丁醇等。然而，异丁醛是一种VOC，低浓度接触即可对人体眼睛、鼻子和呼吸道造成刺激，而高浓度接触可能引发麻醉效应。此外，异丁醛易燃，与氧气接触时容易发生剧烈反应。因此，异丁醛的监测在环境安全和公共健康中至关重要。传统检测方法如气相色谱虽然灵敏，但设备昂贵、操作复杂且耗时，开发快速灵敏的气体传感器成为研究热点。

二、主要研究内容

本研究创新性地合成了介孔二氧化硅纳米球（M-SiO₂），并将其应用于异丁醛的催化发光检测。研究团队通过优化材料的比表面积和孔径结构，大幅提升了其催化氧化异丁醛的效率。与非介孔SiO₂传感器相比，M-SiO₂的响应强度提高了12.7倍，在3.11至311 ppm范围内具有优异的线性检测性能，检测限仅为1.1 ppm。实验结果表明，该传感器对异丁醛具有很高的选择性，且对其他挥发性有机物（如丙酮、甲醛等）无显著响应，表现出良好的抗干扰能力。

图1. 不同VOCs在，M-SiO₂的CTL响应强度.

此外，研究还利用高效液相色谱（HPLC-UV）等手段深入探讨了异丁醛在M-SiO₂表面的催化氧化机理。通过密度泛函理论（DFT）计算，研究发现异丁醛、氧气和水分子在SiO₂表面具有较强的吸附能，催化反应过程中生成了活性氧物种和发光中间体，从而产生稳定的催化发光信号

图2. 异丁醛（A）、水（B）和氧气（C）在SiO2 (111)面的吸附构型。异丁醛（D）、水（E）和氧气（F）吸附在SiO2 (111)面的电荷密度.

三、结论

所开发的基于M-SiO₂的催化发光传感器在异丁醛的检测中展现了卓越的性能，不仅为异丁醛等挥发性有机化合物的检测提供了高效、灵敏的解决方案，还为环境监测提供了新的技术支持。该研究不仅具备理论价值，还在实际空气样品检测中表现出良好的应用潜力。

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