磷摻雜類石墨相氮化碳的制備及其在甲基汞檢測中的應用

孫曉彤，劉 瑤，戴正亮，王 貝，黃劍豪，陳 星

(1. 合肥工業大學 資源與環境工程學院，安徽 合肥 23000；2.安慶市長虹化工有限公司，安徽 安慶246002)

水體汞污染來源多為汞的開采冶煉、氯堿、化工等工業企業排出的廢水及含汞農藥的使用。汞在水環境中主要以單質汞，無機汞，和有機汞的形態存在。水中膠體顆粒、懸浮物、泥土顆粒、浮游生物等都能吸附汞，而后通過重力作用沉降進入底泥，在微生物的作用下可轉變為有機汞。有機汞的毒性遠大于單質汞和無機汞，其中甲基汞形態更加危險[2, 3]。甲基汞是一種很強的神經毒素，由于其小分子量且具有強脂溶性，很容易穿過血腦屏障和生物膜，會給人類健康造成一定的危害[4]。因此，迫切需要發展一種快速、靈敏的分析方法用于檢測水環境中的甲基汞。

目前，甲基汞的分析主要是元素分析儀器(如原子發射光譜[5]、原子熒光光譜[6]和電感耦合等離子體質譜[7])與高效液相色譜的結合使用。這些分析方法具有操作復雜，儀器昂貴，耗時等缺點。因此，電化學分析技術以其高的靈敏度和選擇性、成本低、易操作等優點而得到了廣泛關注。徐等采用金納米顆粒/石墨烯復合材料(AuNPs-RGO)修飾玻碳電極，通過差分脈沖伏安法(DPSV)對魚中的CH3Hg+進行了分析。CH3Hg+濃度在3-24 μg·L-1范圍內線性關系良好，最低檢測限為0.12 μg·L-1[8]。Afonso等在酸性介質中，采用快速掃描伏安法探究了CH3Hg+在碳纖維電極上的還原機理，并闡明甲基汞的伏安曲線與掃描速率的關系[9]。Abolllino等利用鹽酸作為電解質，在方波模式下測量甲基汞的信號，其最低檢測限為0.2 μg·L-1[10]。

眾所周知，電化學傳感器件的性能主要取決于電極材料。類石墨相氮化碳(Graphitic carbon nitride，g-C3N4)是一種具有獨特能帶結構、優異穩定性和良好生物相容性的納米材料，可為生物小分子的電化學檢測提供靈敏的傳感界面[11]。同時，g-C3N4的層狀結構可以進行靈活的修飾，進一步克服了其易團聚和導電性差的缺陷，一般可以通過元素摻雜或者表面修飾等方法。Wu通過水熱反應制備了摻磷g-C3N4量子點，研究發現在P注入g-C3N4晶格的過程中，其帶隙明顯減小[12]。Hu等人制備了磷摻雜g-C3N4(PCN)，并涂覆在Al2O3基底上制備了光催化膜反應器。在可見光照射下，10% PCN對亞甲基藍的降解活性最高。這是因為磷的加入取代了C位并填補了C空位，在保留結構特征的同時修復了結構缺陷，從而減少了電荷重組，提高了導電率[13]。Zhou等以六氯環三磷腈為磷源，采用熱聚合法成功地合成了磷摻雜的g-C3N4，在光催化制氫方面表現出出優異的光催化性能。磷原子的引入起到到頭重要的作用，共改變了g-C3N4的電子結構性質并抑制光生電荷的復合載體，從而提高其光催化性能[14]。綜上，在g-C3N4結構中引入P原子，進一步利用其催化作用，有望提升甲基汞的電化學分析性能。g-C3N4是一種3D層疊材料，經過剝離和HCl質子化后，變為超薄納米片，為吸附CH3Hg+提供更多的活性位點[15]，質子化還可以調節帶隙，提高g-C3N4的催化作用和離子電導率[16]，從而可以進一步提高CH3Hg+的靈敏度。

本文以脲素為前驅體，磷酸二氫銨為磷源，通過高溫熱聚合法制備磷摻雜g-C3N4。其中，磷元素的摻入改變了g-C3N4的電子性質和帶隙寬度。進一步通過鹽酸酸化處理得到質子化的磷摻雜g-C3N4(PCN)，改性后PCN表現出良好的分散性和大的表面積，其有利于電荷的轉移與分離。采用PCN構建電化學傳感界面用于CH3Hg+的檢測，同時考察了不同P摻入量對CH3Hg+檢測的影響。此外，還探究了該電化學敏感界面的抗干擾性能和在實際水環境中CH3Hg+分析的應用。結果表明，PCN修飾電極具有很高的靈敏度、可靠性和穩定性，在解決實際水環境檢測方面具有巨大的應用潛力。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

脲素(CH4N2O)、磷酸二氫銨(NH4H2PO4)和氯化甲基汞(CH3HgCl)均為分析純，購自上海國藥試劑有限公司，無需進一步純化即可用于本研究。通過混合0.1 M乙酸和0.1 M乙酸鈉溶液制備0.1 M乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，均為分析純，購自天津市大茂化學試劑廠。通過稀釋重金屬離子的標準溶液來制備不同濃度的重金屬離子溶液。其他試劑均為分析純，購買自于中國國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器

所有電化學實驗都在CHI760E電化學工作站(中國上?；瘜W儀器公司)上進行，使用配備有金電極、鉑絲電極和氯化銀電極的三電極系統。表征儀器有：場發射掃描電子顯微鏡(SEM，美國 FEI 公司)、場發射透射電子顯微鏡(TEM，日本Hitachi公司)、傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，美國Thermo Nicolet公司)、X射線光電子能譜儀(XPS，美國 Thermo公司)、X射線衍射儀(XRD，日本里加公司)、紫外-可見光譜儀(UV-vis，美國Agilent公司)。

1.3 磷摻雜g-C3N4納米材料的制備

磷摻雜g-C3N4通過高溫熱聚合方法制備[17]。首先，取20 g脲素置于氧化鋁(Al2O3)陶瓷坩堝中，放入馬弗爐550 ℃加熱2 h，以10 ℃每分鐘的速度升溫，反應結束后，將坩堝冷卻至室溫，將制備好的g-C3N4命名為CN。然后，將一定量的脲素(19、18、17 g)和磷酸二氫銨(1、2、3 g)溶于50 mL水中，并在60 ℃水浴中攪拌1 h，之后將混合溶液在60 ℃的烘箱中干燥12 h，然后將干燥后的復合物轉移到Al2O3陶瓷坩堝中，并在馬弗爐550 ℃加熱2 h，以10 ℃每分鐘的速度升溫，反應結束后，將坩堝冷卻至室溫[17]。將材料進行剝離并用濃鹽酸(37%)質子化處理。將2 g復合材料放入20 mL去離子水中，超聲處理16 h，超聲頻率為90 Hz，每20 min換水一次，保持水溫在25 ℃以下。然后在10000 r/min下離心5 min，然后在60 ℃下干燥12 h，得到剝離的復合材料。將剝離的材料放入HCl(37%)中，在室溫下攪拌3 h，得到不透明的分散體。用去離子水洗滌三次，在60 ℃烘箱中干燥12 h，得到HCl質子化后的復合材料。根據前驅體(磷酸二氫銨和脲素混合物)中磷酸二氫銨所占的質量百分比(5%、10%、15%)，制備出含不同磷摻雜量的g-C3N4，并將其命名為PCNx，分別為PCN5、PCN10、PCN15。

1.4 磷摻雜g-C3N4修飾金電極的制備

金電極的預處理：首先要對金電極的表面進行拋光處理，具體操作為用1.0、0.3、0.05 μm的氧化鋁粉末對金電極的表面進行打磨，直至表面光滑呈現鏡面為止，然后依次使用無水乙醇和去離子水超聲2 min，電極在常溫下晾干備用。在電極使用之前，將電極在0.5 mol/L硫酸中活化。

在金電極表面修飾PCNx納米材料采用滴涂法，即取2 mg的PCNx納米材料置于試管中，加入4 mL的去離子水，制得0.5 g/L的PCNx懸浮液，再用微量移液槍吸取5 μL的懸浮液于預處理后的金電極表面。修飾過后的電極在自然環境中放置待干。

1.5 電化學分析實驗

采用差分脈沖伏安法(DPV)對緩沖溶液中甲基汞離子進行電化學檢測，緩沖溶液中的甲基汞離子在富集電壓為-0.9 V，富集時間為800 s的條件下沉積在修飾金電極的表面，離子還原為零價。然后在DPV下，電化學窗口0-1 V內出現電化學響應峰，共峰電流隨著離子的濃度的增加而增加。隨后，在電極表面施加+1.2 V，時間150 s用來去除電極表面被還原的金屬，以便于接下來的實驗。根據汞離子的電化學響應電流峰值與濃度之間的關系，利用相關軟件進行擬合，對甲基汞離子進行定量分析。

2 結果與討論

2.1 磷摻雜g-C3N4的掃描電子顯微鏡(SEM)表征

圖1是CN和PCN10的掃描電鏡圖(SEM)、透射電鏡圖(TEM)和能量色散X射線光譜(EDS)，從圖1(a)，(b)中可以觀察到CN和PCN10納米片的聚集體。在形態上，CN和PCN10的結構非常相似，說明磷摻雜并沒有改變其形貌[18]，觀察其孔隙，發現CN的團聚現象得到抑制，PCN10納米片更薄。圖1(c)中顯示PCN10納米片由薄納米片構成，具有層狀結構和孔道，孔結構可以促進傳質，為催化反應提供更多的活性位點。為了確定這些樣品的氧化態和化學鍵，還進行了EDS分析以確認組成，并清楚地揭示了碳、氮和磷的存在。從圖1(d-g)可以看出，C和N是g-C3N4的兩種組成元素，均勻分布在PCN10樣品中，摻雜元素P和O也均勻分布。

圖1 (a)CN; (b)PCN10的掃描電鏡圖(SEM); (c)PCN10的透射電鏡圖(TEM)和(d)-(g)PCN10的能譜圖

2.2 磷摻雜g-C3N4的X射線光電子能譜(XPS)表征

通過X射線光電子能譜(XPS)來研究樣品內元素的化學狀態，分析結果如圖2所示。從圖2(a)可以看出，所有樣品都由C、N和O這三種元素所組成，在全譜中均可觀察到P的特征峰，說明P成功摻雜進g-C3N4中，PCN5、PCN10及 PCN15中磷元素的占比分別為8.6%、12.09%和14.06%。圖2(b)中的C1s光譜在結合能為284.8、286.3、288.1 eV時顯示出三個特征峰。284.8 eV的特征峰歸因于無定形碳原子，286.3 eV的峰對應C-NH2，288.1 eV的特征峰是g-C3N4晶格中的三氮基C-(N)3[20]。圖2(c)中的N1s位于特征能區399.1 eV的特征峰，可歸因于三嗪環的雜化氮原子(C＝N-C)，402.1 eV處的弱峰與帶有氫原子和叔氮的氨基(C-N-H)有關，存在于N-(C)3基團的特征峰中。本實驗中最重要的是，如圖2(d)所示，在PCN10樣品中可以觀察到位于134 eV處的特征峰，歸因于摻雜過程中形成的P-N鍵[13]，表明P取代C位點與相鄰位點的g-C3N4骨架的庚嗪環內的N形成共價鍵。元素分析如：C 26.12%、N 51.68%、O 8.14%、P 14.06%。

圖2 (a) CN、PCN5、PCN10和PCN15; (b)、(c) PCN10復合材料的C1s、N1s和(d) CN、PCN5、PCN10和PCN15的P2p的XPS光譜

2.3 磷摻雜g-C3N4的X射線衍射(XRD)表征

本實驗中CN、PCN5、PCN10和PCN15的XRD圖譜如圖3(a)所示，在g-C3N4的XRD圖譜中可以觀察到在13.1°和27.1°附近有兩個基本衍射峰。13.1°處的衍射峰是三嗪環單元的平面封裝結構，對應于g-C3N4的(100)晶面。27.1°附近的強衍射峰對應于CN的芳香單元的層間堆積，對應于g-C3N4的(002)晶面[14]。由圖中看出PCNx(0.323 nm)的晶面間距較短。這可能是由于脲素中額外的殘余氧促進了縮合過程，使g-C3N4的晶體結構更加穩定。這兩個峰值不會隨時間而移動或改變，增加磷含量，揭示了g-C3N4的晶體結構在磷摻雜后得到很好的保留。

圖3 CN、PCN5、PCN10和PCN15的(a)XRD圖譜和(b) FTIR圖譜

2.4 磷摻雜g-C3N4的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)表征

使用傅里葉變換紅外光譜(圖3(b))研究了PCNx樣品的模式。在1200-1600 cm-1范圍內的峰值代表碳氮雜環體系的伸縮振動，以及在804 cm-1處的峰代表著可以分配給七嗪環的伸縮振動。3000-4000 cm-1附近的寬帶可歸因于分別來自表面吸附的H2O和未凝聚胺基的羥基和氮氫振動。PCNx樣品顯示出石墨sp2鍵的三-s-三嗪環。隨著過量的磷摻雜進g-C3N4中(PCN15)，FTIR的強度略有下降，表明g-C3N4的結構被破壞，這可能導致磷摻雜的g-C3N4的光催化活性降低。

2.5 磷摻雜g-C3N4的紫外可見漫反射光譜(UV-Vis)表征

圖4(a)為所有樣品的紫外可見漫反射光譜，與CN的能帶邊緣相比，PCN10具有紅移，這可能是因為P的摻雜導致捕獲更多的光能以產生更多的光致電子空穴電荷[22]。磷原子在g-C3N4基體中的引入對與其密切相關的能帶結構和電子性質有顯著影響，這與半導體的光吸收有關。如圖4(b)-(d)所示，根據Kubelka-Munk公式，吸附CH3Hg+前的CN和PCN10的帶隙寬度分別計算為2.71、2.63 eV，吸附后的帶隙寬度為2.68、2.57 eV，顯示出PCN10的帶隙要比CN窄，吸附CH3Hg+后CN、PCN10的帶隙比吸附前窄?？梢缘贸鯬CN10的帶隙較窄，說明P摻雜確實可以調節帶隙，提高電導率。磷摻雜的g-C3N4吸附CH3Hg+后也可以更好的調節帶隙，提高電導率。

圖4 與甲基汞吸附前所有樣品的(a)紫外可見漫反射光譜以及(b) (αhν)1/2與光子能量關系圖，與甲基汞吸附后所有樣品的(c)紫外可見漫反射光譜以及(d) (αhν)1/2與光子能量關系圖

2.6 不同修飾電極材料檢測CH3Hg+的比較

圖5中顯示了不同比例的磷摻雜g-C3N4修飾電極對15 μg·L-1CH3Hg+的電化學檢測性能。在沉積過程中，當CH3Hg+在金電極表面還原為單質汞時，可能會發生剝離過程。CH3Hg+還原在裸金電極、CN和PCNx修飾電極上產生的溶出電流幾乎相似。因此，為了確定摻磷g-C3N4的最佳比例，采用PCN5、PCN10和PCN15復合材料對金電極進行改性。CH3Hg+的最大峰值電流是用PCN10修飾的金電極獲得的。說明磷摻雜g-C3N4與裸金電極相比具有優異的檢測性能，這可歸因于摻雜磷復合材料的優越性。因此在本電化學實驗中，我們使用PCN10材料修飾金電極構建敏感界面從而進行后面所有的研究。

圖5 裸金電極和不同比例摻磷g-C3N4復合樣品(CN、PCN5、PCN10和PCN15)修飾電極在 0.1 M HAc-NaAc(pH=5.0)中對標定15 μg·L-1 CH3Hg+的(a)微分脈沖伏安法響應圖和(b)所有樣品的柱狀圖比較

2.7 電化學實驗條件的優化

為了使得PCN10修飾電極傳感器檢測CH3Hg+獲得最佳的電化學檢測結果，對本實驗中主要影響因子如電解質類型、pH、預濃縮時間和富集電位進行條件優化。所有優化都是在CH3Hg+濃度為15 μg·L-1時進行。圖6(a)所示，緩沖溶液分別是pH=5的檸檬酸-檸檬酸鈉溶液、磷酸氫二鈉-磷酸二氫鉀(PBS)溶液、乙酸-乙酸鈉溶液(HAc-NaAc)，CH3Hg+還原在HAc-NaAc中的響應電流最高，所以選擇HAc-NaAc做為緩沖溶液。圖6(b)所示，使用pH=4、5、6的0.1M HAc-NaAc溶液，結果顯示pH=5時響應電流最高，故緩沖溶液選擇pH=5的HAc-NaAc溶液。圖6(c)顯示 CH3Hg+的響應電流值隨著時間的增加而快速提升，當時間超過800 s后，溶出電流峰值開始增加的較為緩慢?？紤]到節約實驗所用的時間，選取800 s作為實驗優化時間。如圖6(d)所示，富集電壓選擇了-1.0、-0.9、-0.8、-0.7、-0.6 V共5個電壓進行電化學檢測，可以看出富集電壓在-0.9 V時達到最高，所以選擇-0.9 V的富集電壓。因此在本實驗中，電解質采用HAc-NaAc緩沖液，pH值為5，富集電壓為-0.9 V，富集時間為800 s。

圖6 PCN10修飾電極檢測15 μg·L-1的CH3Hg+優化實驗(a)緩沖溶液；(b)pH值；(c)預濃縮時間；(d)富集電壓

2.8 電化學分析檢測CH3Hg+

電極表面甲基化汞化合物的還原分兩步進行。在恒電位下，CH3Hg+的電還原首先產生甲基汞自由基(CH3Hg·)。CH3Hg·要么被還原為Hg0(處于負電位)，要么被歧化為(CH3)2Hg。在短時間內，不同有機汞化合物的二聚速率取決于R-Hg的氧化還原和絡合反應[25]。根據電化學氧化還原機理，在CH3Hg·之后，Hg0沉積及溶出過程繼續進行。

在最優的實驗條件下，用PCN10納米材料修飾金電極采用DPV對標定的CH3Hg+進行電化學檢測分析，濃度范圍為0-25 μg·L-1，裸金電極用作對照。圖7中顯示出電化學伏安溶出峰電流與CH3Hg+濃度之間的關系曲線。如圖7.a所示為裸金電極線性回歸模型，其線性方程為Ip(μA) = 0.231C(μg·L-1) +0.107 (n=9，R2=0.998)。圖7(b)顯示，Ip(μA)= 0.337C(μg·L-1)-0.099 (n=9，R2= 0.993)，說明與裸金電極相比，未質子化的PCN10修飾的金電極對CH3Hg+檢測的靈敏度明顯提升。通過對材料進行鹽酸質子化處理，以獲得更好的靈敏度，如圖7(c)所示，峰值電流與CH3Hg+之間的線性關系Ip(μA)=0.42C(μg·L-1)+0.066 (n=9，R2=0.986)，靈敏度達到0.42 μA/(μg·L-1)，檢測限為0.182 μg·L-1。表1列出了之前通過不同電化學方法和材料檢測CH3Hg+?？梢?，PCN10修飾金電極具有較高的靈敏度和較低的檢測限。

圖7 在最優的實驗條件下(a)裸金電極；(b)未質子化的PCN10納米材料改性電極對CH3Hg+微分脈沖伏安法 (DPV)和(c)HCl質子化后的PCN10納米材料改性電極對CH3Hg+微分脈沖伏安法(DPV)

2.9 其他陽離子的干擾實驗

如圖8所示，Hg2+、Cu2+、Cd2+、Pb2+、Bi3+和As3+等陽離子對CH3Hg+的干擾情況。根據CH3Hg+的電化學還原機理，無機Hg2+對CH3Hg+的測定有顯著的影響，這是由于存在重疊的響應電位。圖8(a)顯示在0.1 M pH=5的HAc-NaAc溶液中添加15 μg·L-1CH3Hg+，加入SnCl2選擇性還原Hg2+，SnCl2只還原Hg2+，不影響CH3Hg+，因此可以消除Hg2+對檢測CH3Hg+的影響。實驗中先在緩沖溶液中加入15 μg·L-1的CH3Hg+離子，然后按15 μg·L-1的5倍、10倍、15倍、20倍、25倍的比例分別加入待檢測的干擾陽離子，在添加了其他重金屬離子后，仍能靈敏地檢測到CH3Hg+，峰值電流保持穩定。如圖8(b)所示，Cu2+、Cd2+、Pb2+、Bi3+和As3+等陽離子不會使CH3Hg+的峰值電流變化超過5%[29]。因此，天然水樣中常見的金屬離子不會顯著干擾該材料修飾電極檢測CH3Hg+。

圖8 不同金屬離子對15 μg·L-1 CH3Hg+的峰值電流的影響

2.10 穩定性與重現性

PCN10修飾金電極作為一種電化學傳感器，穩定性和重現性對于其性能來說十分重要。所以在本研究實驗在最優條件下考察了PCN10修飾金電極傳感器的穩定性和重現性。使用PCN10材料修飾5個金電極(編號為1-5)對CH3Hg+(15 μg·L-1)進行電化學檢測，電化學響應如圖9(a)所示，其RSD 計算為3.67%，低于5%。另一方面，用PCN10修飾電極對CH3Hg+(15 μg·L-1)進行循環5 D的重現性電化學檢測，如圖9(b)所示，在重復測量期間，CH3Hg+電化學剝離電流峰值并沒有發生明顯的波動，相對標準差(RSD)計算為2.49%。綜上討論，該PCN10修飾電極傳感器界面具有良好的穩定性和重現性能，這為實際水樣中甲基汞離子的電化學分析檢測提供了可靠性支撐。

圖9 PCN10納米材料修飾電極對CH3Hg+的電化學檢測(a)穩定性和(b)重現性研究

2.11 實際水樣檢測

用磷摻雜g-C3N4電化學傳感器檢測了安徽省合肥市合肥工業大學斛兵塘和安徽省合肥市南淝河實際水樣中CH3Hg+的測定分析。電化學檢測前，樣品以1:19的比例混合在0.1 M HAc-NaAc緩沖液(pH=5)中，取混合溶液10 mL進行CH3Hg+的電化學檢測，兩個水樣中均未檢測到CH3Hg+污染。如表2所示，向水樣中分別添加CH3Hg+溶液10和15 μg·L-1，CH3Hg+的加標回收率在94.7%-104.4%之間。數據表明，新方法不受天然水樣中基質成分的影響。新的CH3Hg+檢測方法可以有效地用于環境樣品的甲基汞監測[30]。

表2 實際水樣中甲基汞離子的檢測分析結果

3 結論

綜上，采用類石墨相氮化碳(g-C3N4)作為原材料，通過簡單的化學合成方法制備出不同摻磷比例的g-C3N4，并將其作為電化學電極修飾材料。比較了不同摻磷比例的g-C3N4納米結構材料修飾金電極對CH3Hg+的電化學檢測性能。針對PCN10修飾電極體系進行相關實驗條件的優化，該電極對重金屬CH3Hg+具有較高的靈敏度和低的檢測限，分別為0.42 μA/(μg·L-1)，檢測限為0.182 μg·L-1。采用PCN10修飾電極傳感器對CH3Hg+的檢測進行一系列的抗干擾實驗，發現在金屬離子干擾下，該電極體系對CH3Hg+檢測的靈敏度具有一定程度上的降低，但是相對偏差都穩定在5%以內，可以說明其他重金屬離子對該材料檢測甲基汞無明顯影響。該傳感器具有良好的穩定性與重現性，有望在實際水樣分析中進行應用。