【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】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。
 

　　X射線是一種波長(zhǎng)極短，能量很大的電磁波，X射線的波長(zhǎng)比可見光的波長(zhǎng)更短(約在0.001～10納米，醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的X射線波長(zhǎng)約在0.001～0.1 納米之間)，它的光子能量比可見光的光子能量大幾萬至幾十萬倍。 由德國(guó)物理學(xué)家W.K.倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)，故又稱倫琴射線。
 

　　晶相是結(jié)晶的微觀結(jié)構(gòu)，由晶體中高分子鏈的構(gòu)象及其排布所決定，種類有：?jiǎn)尉?、球晶、樹枝狀晶、孿晶、伸直鏈片晶、纖維狀晶、串晶等。主要研究工具有：光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等。其中含量多者稱為主晶相，含量少的稱次級(jí)晶相或第二晶相。有時(shí)在晶界上還可能發(fā)現(xiàn)有第二晶相存在，它的存在一般需用X射線結(jié)構(gòu)分析如X射線圖，能譜分析，晶格條紋像等進(jìn)行確定。陶瓷材料的晶體主要是單一氧化物(如Al2O3，MgO)和復(fù)合氧化物(如尖晶石MgO·Al2O3，鋯鈦酸鉛Pb(Zr,Ti)O3)。此外，非氧化物陶瓷材料中還有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等相應(yīng)組分的晶體存在。陶瓷材料的性能和主晶相的種類、數(shù)量、分布及缺陷狀況等密切有關(guān)。
 

　　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。
 

　　氫氧化物普遍呈堿性，但堿性的強(qiáng)弱不同，這取決于與氫氧根結(jié)合的金屬陽離子對(duì)應(yīng)元素的電負(fù)性，電負(fù)性越小，則其氫氧化物越容易在溶液中釋放出氫氧根，堿性越強(qiáng)。反之，電負(fù)性越大，則其氫氧化物越容易在溶液中越釋放不出氫氧根，堿性越弱。
 

　　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，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。
 

　　電化學(xué)是研究?jī)深悓?dǎo)體形成的帶電界面現(xiàn)象及其上所發(fā)生的變化的科學(xué)。電和化學(xué)反應(yīng)相互作用可通過電池來完成，也可利用高壓靜電放電來實(shí)現(xiàn)(如氧通過無聲放電管轉(zhuǎn)變?yōu)槌粞?，二者統(tǒng)稱電化學(xué)，后者為電化學(xué)的一個(gè)分支，稱放電化學(xué)。由于放電化學(xué)有了專門的名稱，因而，電化學(xué)往往專門指“電池的科學(xué)”。
 

　　電化學(xué)如今已形成了合成電化學(xué)、量子電化學(xué)、半導(dǎo)體電化學(xué)、有機(jī)導(dǎo)體電化學(xué)、光譜電化學(xué)、生物電化學(xué)等多個(gè)分支。
 

　　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。