FeOOH晶相結(jié)構(gòu)及晶相依賴的電化學(xué)分析行為研究取得進(jìn)展

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博士后楊猛與副研究員林楚紅合作，利用透射電子顯微鏡（TEM）旋轉(zhuǎn)模式研究了不同晶相FeOOH納米棒的橫截面結(jié)構(gòu)并闡明其晶體生長(zhǎng)方向；結(jié)合同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）技術(shù)和動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算等手段，揭示了其在重金屬離子電化學(xué)分析過程中的優(yōu)勢(shì)晶相新機(jī)制。

金屬氫氧化物納米材料由于其優(yōu)異的催化性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于能源和環(huán)境領(lǐng)域。盡管已有報(bào)道表明金屬氫氧化物納米材料不同的晶相結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出獨(dú)特的電化學(xué)性能，但是，由于催化反應(yīng)體系復(fù)雜，影響其電催化性質(zhì)的因素眾多，對(duì)于金屬氫氧化物納米材料晶相依賴的電化學(xué)行為背后的關(guān)鍵因素難以確認(rèn)。

一方面是缺乏從原子層面上理解納米材料與目標(biāo)分析物之間的相互作用；另一方面是催化反應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)過程不甚清楚。此外，對(duì)于不同晶相的金屬氫氧化物納米材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)方向缺乏直接證據(jù)。而闡明納米材料的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能之間的關(guān)系對(duì)于設(shè)計(jì)有效的敏感界面具有重要指導(dǎo)意義。

基于上述問題，研究人員首先合成了棒狀α-和β-FeOOH，通過透射電子顯微鏡旋轉(zhuǎn)不同的角度研究其橫截面形狀，結(jié)合晶格條紋間距與納米衍射對(duì)應(yīng)晶面的分析結(jié)果，首次從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了α-FeOOH納米棒的橫截面是菱形，而β-FeOOH納米棒的橫截面是正方形，且α-和β-FeOOH納米棒生長(zhǎng)方向均為［001］方向。然后，利用α-和β-FeOOH納米棒構(gòu)筑敏感界面研究其電化學(xué)分析行為，檢測(cè)結(jié)果表明α-FeOOH對(duì)Pb（Ⅱ）的檢測(cè)靈敏度比β-FeOOH高約17倍。

結(jié)合同步輻射XAFS技術(shù)和動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算等手段闡明電化學(xué)分析過程中優(yōu)勢(shì)晶相α-FeOOH納米棒的檢測(cè)信號(hào)增強(qiáng)機(jī)制。XAFS與紅外光譜（FT-IR）研究結(jié)果表明，與 β-FeOOH相比，在 α-FeOOH上發(fā)現(xiàn)了更多的表面羥基，這有助于對(duì)目標(biāo)分析物Pb（Ⅱ）的富集，而吸附在α-FeOOH上的Pb—O鍵較長(zhǎng)，促進(jìn)Pb（Ⅱ）擴(kuò)散到電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而獲得增強(qiáng)的電化學(xué)信號(hào)。動(dòng)力學(xué)過程模擬計(jì)算結(jié)果明確了α-和β-FeOOH對(duì)目標(biāo)分析物的吸附速率與吸附容量是優(yōu)勢(shì)晶相增強(qiáng)電化學(xué)敏感性能的決定因素。該工作的研究發(fā)現(xiàn)：一方面擴(kuò)展了對(duì)不同晶相FeOOH結(jié)構(gòu)的理解，為其表面原子排列模型提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)；另一方面從原子層面上揭示了優(yōu)勢(shì)晶相電化學(xué)分析行為的敏感增強(qiáng)新機(jī)制，為研究新型納米材料用于電化學(xué)分析檢測(cè)及對(duì)其他金屬氫氧化物納米材料的功能應(yīng)用提供了有效的理論支持。