张宇杰， 刘 琴， 杨 琴， 叶芝祥， 杨迎春

(成都信息工程大学资源环境学院，四川成都 610225)

对硝基苯酚(p-NP)作为一种重要的化工原料，被广泛用于皮革防腐剂、酸碱指示剂的生产，也用作炸药、农药及染料等化学品的中间体[1 - 3]。同时，p-NP作为一种有毒化学物质，会严重损害生物和人类健康，造成高铁血红蛋白血症以及肝肾损伤、头痛、嗜睡、恶心等[4,5]。p-NP作为对硫磷和对氧磷杀虫剂的有毒水解产物[6]，广泛存在于环境中，除工业废水外，也存在淡水和海洋环境中[7,8]。因此，建立一种快速、便捷的p-NP测定方法显得尤为重要。目前，检测p-NP的方法有流动注射分析法[9]，色谱法[10,11]，毛细管电泳法[12]等。但是对于上述方法，都需要一定的前处理手段，耗费时间长，操作复杂。而基于化学修饰电极的电化学检测方法[13,14]具有操作简便，检测时间短，灵敏度高，选择性好，稳定性强等优点，因此在检测p-NP方面比其他检测手段具有更大的潜力。

近年来，混合价的钒酸钴以其优异的电化学性能、较低的成本和双金属协同效应而受到广泛关注[15]。Li等人[16]制备Co3V2O8纳米粒子修饰电极，实验结果表明该传感器对不同浓度NO2具有良好的响应特性，且显示出良好的再现性、抗干扰性、低交叉敏感性及长期稳定性。由于合成过程中V元素的价态复杂，导致其产物的电化学性能不够稳定，因此钒酸钴很少应用于污染物质的电化学检测。

本研究采用水热合成法制备了Co3V2O8纳米粒子，并将其修饰在玻碳电极(GCE)上，制备了Co3V2O8修饰的电化学传感器，此外还对Co3V2O8纳米粒子及其修饰的玻碳电极进行了表征与电化学测试。并且采用差分脉冲伏安法(DPV)将其应用于p-NP的高效灵敏检测。将其应用于实际环境水样中p-NP的检测，结果满意。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

CHI660E电化学工作站(上海辰华有限公司)；DHG-9075A电热恒温鼓风干燥箱(上海齐欣科学仪器有限公司)；KSL-1200X马弗炉(合肥科晶材料技术有限公司)；SU3500扫描电子显微镜(日本，日立)；DX-2700BH型X射线衍射仪(丹东浩元仪器有限公司)；Thermo Escalab 250XI型X射线能谱分析仪(美国，热电)。

Co(NO3)3·6H2O、NH4VO3、全氟磺酸(Nafion)购自上海麦克林(中国)有限公司；p-NP、尿素、无水乙醇和K3[Fe(CN)6]均购自成都市科龙化工试剂厂。用无水乙醇制备1.0×10-4mol·L-1p-NP标准储备液。所有试剂均为分析纯，无需进一步纯化即可使用。除特殊情况外，溶液用去离子水制备。

1.2 电极材料的制备

Co3V2O8纳米材料的制备：将2 mmol NH4VO3加入40 mL约40 ℃的水中，快速搅拌至溶解，再加入2 mmol Co(NO3)3和2 g尿素至上述溶液中，将混合均匀后的溶液转移至50 mL的不锈钢高压釜中，并在120 ℃下保持12 h。反应完成后冷却至室温，将沉淀物离心并用水和乙醇洗涤多次，然后放置于60 ℃干燥箱中保持6 h。将烘干后的物质采用玛瑙研钵磨细后，将其放置于550 ℃的马弗炉中煅烧4 h，最终得到Co3V2O8。

Co3V2O8修饰玻碳电极的制备：将10 mg试样加入至2 mL离心管中，然后加入500 μL水，485 μL乙醇和15 μL Nafion溶液，以获得混合均匀的黄色悬浮液。用移液管将8 μL悬浮液滴到GCE表面，然后在室温下自然晾干，制备得到修饰玻碳电极(Co3V2O8/GCE)。

1.3 电化学性能测试

所有电化学性能测试均在电化学工作站上进行。改性GCE(表面积：0.196 cm2)作为工作电极，Ag/AgCl电极和铂丝电极分别为参比电极和对电极，采用此三电极体系在含有10 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-的0.1 mol·L-1KCl电解液中进行循环伏安和交流阻抗的电化学测试。对p-NP的电化学行为在含有p-NP 的磷酸盐缓冲溶液(PBS)中进行表征。

2 结果与讨论

2.1 电极材料的表征

为探究Co3V2O8催化剂的微观形貌结构，采用扫描电子显微镜(SEM)以20 kV的加速电压获得SEM图像。从图1A中可以看出，Co3V2O8由叠片状的六边形组成，片状形态之间错位相叠，且片状结构中间均有一个明显的小孔。进一步放大后发现每一层片状结构均由许多200 nm左右大小的初级颗粒构成类似海绵状的多孔结构(图1C～1E)，颗粒与颗粒之间存在大量空隙，这也进一步增大了催化剂的比表面积与电化学活性位点。图1F为Co3V2O8的能谱(EDS)图，该催化剂中Co、V、O原子比为3∶1.9∶5.64，进一步说明了Co3V2O8的成功合成。

图1 Co3V2O8的扫描电镜(SEM)图像(A-E)及能谱(EDS)图谱(F)Fig.1 SEM images(A-E) and EDS spectrum(F) of Co3V2O8

图2显示了热处理后的Co3V2O8的XRD图谱。根据标注的特征峰可以看出，在2θ为18.87°、29.66°、35.31°、36.04°、43.47°、58.07°、63.15°和73.39°处的衍射峰分别对应于Co3V2O8的(120)，(131)，(122)，(320)，(042)，(511)，(442)和(324)晶面[17]，与标准卡号PDF#16-0832高度匹配，且其峰形明显，衍射峰强度较大，未观察到多余的衍射峰。表明所制备的Co3V2O8样品纯度较高，结晶度较好。

图2 Co3V2O8的X射线衍射(XRD)谱图Fig.2 XRD pattern of Co3V2O8

实验采用X射线能谱(XPS)分析了Co3V2O8表面的结构组成和氧化价态，其XPS谱图结果如图3所示。图3A清晰的显示了Co、V、O和C元素的存在。图3B为Co 2p的高分辨率XPS光谱图，Co 2p的两个主峰分别位于780.8 eV和796.7 eV，对应于Co 2p3/2和Co 2p1/2；在对Co 2p3/2能量区域进行分峰后，分别在780.6 eV和782.3 eV处观察到对应于两种不同Co氧化态的峰，即Co2+和Co3+，低氧化态的Co在Co3V2O8颗粒的表面上占主导地位[18,19]，这也与XRD的结果相印证，同时在786.8 eV和803.4 eV存在两个明显的卫星峰。同样地，如图3C所示，V 2p的两个主峰的结合能为516.65 eV、524 eV，分别对应于V 2p3/2和V 2p1/2；经过分峰，V 2p3/2结合能分别为516.26 eV和516.65 eV，显示出了两个不同的峰，分别对应V4+和V5+两个状态的峰[20]。对于图3D中O 1s的XPS图谱而言，在结合能为530.2 eV处的宽峰进行分峰后，结合能为530.13 eV和531.65 eV处的峰分别对应于金属氧化物中的配位晶格O以及催化剂表面的化学吸附O[21]。由其峰面积可看出，催化剂中的配位晶格O较化学吸附O更多，这也有利于后续的电化学催化反应的发生。

图3 Co3V2O8的X射线能谱(XPS)谱图Fig.3 XPS spectra of Co3V2O8(A) Full spectrum;(B) Co 2p spectrum;(C) V 2p spectrum;(D) O 1s spectrum.

2.2 Co3V2O8/GCE的电化学性能测试

2.2.1 循环伏安曲线为研究电极的电化学可逆性，在含有10 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-的0.1 mol·L-1KCl溶液中，扫描速率为50 mV·s-1下采用循环伏安(CV)法进行了测试，裸GCE和Co3V2O8/GCE的电化学表征结果如图4所示。在0.65～-0.1 V扫描范围内，[Fe(CN)6]3-被还原为[Fe(CN)6]4-，产生还原电流；而在-0.1～0.65 V扫描范围内，[Fe(CN)6]4-被氧化为[Fe(CN)6]3-，产生氧化电流。裸GCE和Co3V2O8/GCE均可对[Fe(CN)6]3-进行氧化还原，因而都产生了氧化还原峰对，且Co3V2O8/GCE具有较强的氧化还原峰电流。与裸GCE相比，Co3V2O8/GCE在溶液中的氧化峰和还原峰电流均有所增强，这是由于Co3V2O8良好的导电性及较大的比表面积，使得修饰后的玻碳电极表现出更强的电子转移能力，从而使得其电流响应增强，峰电流值增大。

图4 裸GCE(a)和Co3V2O8/GCE(b)的循环伏安图Fig.4 CVs of bare GCE(a) and Co3V2O8/GCE(b)

2.2.2 电化学交流阻抗图5所示为裸GCE和Co3V2O8/GCE在含有10 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-的0.1 mol·L-1KCl溶液中的交流阻抗图谱，图中半圆直径所对应的值表示相应电极的电荷转移阻力(Rct)。由图中可以得出，裸GCE的Rct约为900 Ω，而Co3V2O8/GCE电子传输能力明显增强，电荷转移阻力明显下降，约为400 Ω。这进一步说明了Co3V2O8成功修饰到了GCE表面，也间接反映了Co3V2O8具有阻抗小，导电速率快，电化学活性位点多等优点[22]，从而使得电极表面的电子传递能力增强，电子传递速率加快，在很大程度上减小了电荷转移阻力。

图5 裸GCE(a)和Co3V2O8/GCE(b)的能奎斯特图谱Fig.5 Nyquist diagrams of bare GCE(a) and Co3V2O8/GCE(b)

2.2.3p-NP的循环伏安曲线采用CV法，在空白PBS和含有100 μmol·L-1p-NP的PBS中，以裸GCE和Co3V2O8/GCE为工作电极，研究了p-NP在电极表面的电化学反应。由图6A可知，在电位-1.1～0.4 V的扫描范围内，裸GCE以及Co3V2O8/GCE对p-NP均有电化学响应，且均出现了氧化峰与还原峰；但与裸GCE相比，Co3V2O8/GCE显示出更高的响应值，表明对p-NP有较明显的电催化作用。此外，除了明显的还原峰电流(c2)及氧化峰电流(a1)，在Co3V2O8/GCE上还观察到一对明显的可逆氧化还原对(c1和a1)，这是在空白缓冲液(图6A内插图)中未出现的。这也进一步说明了这对新的可逆氧化还原峰对是由于p-NP的电化学行为，而不是修饰电极。同时还观察到，Co3V2O8/GCE表面的氧化峰电流与还原峰电流相对于裸电极均明显增强，且还原电位正向移动，这可能是由于Co3V2O8的引入增大了工作电极的比表面积，增强了电子的转移能力，从而使得其电催化活性明显增强，提高了Co3V2O8/GCE电还原p-NP的灵敏度。

为研究p-NP在不同电极上的反应机制，对其进行了多重循环伏安实验。结果如图6B所示。第一次循环时，只出现了一个还原峰(-0.671 V)和一个氧化峰(0.145 V)；而后两次循环比第一次多了一个还原峰(0.102 V)，且原先的还原峰下降，可推测出这个新还原峰的出现是因为硝基基团还原峰的下降。裸GCE则几乎无此响应(图6B内插图)。同时发现，除首次循环外，连续循环伏安曲线趋于稳定，其可逆氧化还原峰对几乎重合，表明Co3V2O8/GCE的循环稳定性良好。

图6 裸GCE和Co3V2O8/GCE对p -NP的循环伏安图(A)(内插图为空白缓冲液中的循环伏安图)及其连续循环伏安图(B)(内插图为裸电极的连续循环伏安图)Fig.6 CVs(A) and continuous CVs(B) of p -NP of bare GCE and Co3V2O8/GCE.Inset of (A):CVs in blank buffer solution;inset of (B):continuous CVs of bare GCE.

2.3 p -NP的检测条件优化

2.3.1 催化剂修饰量实验结果如图7所示，在含有100 μmol·L-1p-NP的0.1 mol·L-1PBS中，在修饰量从2～12 μL(0.02～0.12 mg)的变化范围内，p-NP的响应电流先升高后降低，并且在修饰量为8 μL(0.08 mg)时其还原电流达到最大。这是因为Co3V2O8良好的导电性与大的比表面积，使得在初期时随着修饰量的增加，Co3V2O8/GCE对p-NP的吸附量逐渐增大，从而使得还原电流逐渐增加；当达到峰值后，随着修饰量的增加，成膜厚度的增大，其对p-NP的吸附也达到了饱和，反而使得其电子传递能力降低，导致其响应电流的下降。因此在后续实验中修饰量均为8 μL。

图7 Co3V2O8/GCE在不同修饰量下的循环伏安图(A)及不同Co3V2O8修饰量对p -NP还原电流的影响(B)Fig.7 CVs of different amounts of Co3V2O8/GCE(A) and effect of different amounts of Co3V2O8 modification on p -NP reduction current(B)

2.3.2 扫描速率在含有100 μmol·L-1p-NP的0.1 mol·L-1PBS中，采用CV法在20～400 mV·s-1的扫描速率内，研究扫速对p-NP电化学行为的影响。从图8A中可以看出，在-1.1～0.4 V的扫描范围内，随着扫速的增加，其还原峰电流的绝对值逐渐增大，且还原峰电位向负方向移动，这表明p-NP的还原有一定的不可逆性。且如图8B所示，对p-NP的还原峰电流与扫速作图，发现还原峰电流值(I)与扫速(v)之间呈现良好的线性关系，其线性方程为：I=-22.2274-0.2103v(R2=0.9951)。这说明p-NP在Co3V2O8/GCE表面的还原是典型的吸附控制过程[23]。因此，最佳扫描速率定为50 mV·s-1。

图8 Co3V2O8/GCE在不同扫描速率下的循环伏安图(A)及峰电流值与扫描速率的线性关系图(B)Fig.8 CVs of Co3V2O8/GCE at various scan rates(A) and a plot of peak current against scan rate(B)

2.3.3 缓冲溶液的pH值为了进一步优化实验条件，提高p-NP的还原电流，实验采用CV法在含有100 μmol·L-1p-NP的PBS中研究了电解质的pH值对p-NP电化学反应的影响。不同pH值的PBS是通过将KH2PO4和K2HPO4溶液混合，并用HCl和NaOH调节pH来制备的，其实验结果如图9A所示。在pH从4.7到6.5变化时，还原峰电流的绝对值随着pH值的增加而增加，并在pH为6.5时达到最大值，之后随着pH的增大，还原峰电流逐渐减小。图9B表明其还原峰电位与pH值具有一定的线性关系，其线性方程为：Epa(V)=-0.43-0.051pH。因此，后续实验以pH为6.5的0.1 mol·L-1PBS作为缓冲溶液。

图9 Co3V2O8/GCE在不同pH值下的循环伏安图(A)和峰电位与pH值的关系及峰电流与pH的折线图(B)Fig.9 CVs of Co3V2O8/GCE with different pH values(A) and the linear relationship between the peak potential and the pH value and the plot of peak current of p -NP against pH value(B)

2.4 Co3V2O8/GCE对p -NP检测能力的测定

在优化实验条件下，考察了修饰电极在不同p-NP浓度下的DPV图，如图10所示。从图中可以看出，随着p-NP浓度的增加，还原峰电流也逐渐增强，且对其进行线性拟合后发现，还原峰电流值(I)与p-NP浓度(c)呈现良好的线性关系，其线性回归方程为：I=-10.4844-0.0417c(R2=0.9929)，线性检测范围为0.33～3 000 μmol·L-1。经计算Co3V2O8/GCE的灵敏度为 0.0417 μA·μmol-1，检出限(S/N=3)为0.08 μmol·L-1，表明 Co3V2O8/GCE 可应用于环境中p-NP的电化学检测。

图10 Co3V2O8/GCE对不同浓度p -NP的DPV图(插图显示了氧化峰电流与p -NP浓度的关系)Fig.10 DPVs at Co3V2O8/GCE in various concentrations of p -NP(insert showed plot of oxidation peak current vs concentration of p -NP)

此外，通过对比发现，Co3V2O8/GCE对p-NP的检测效果不论是检测范围还是检出限，均优于许多已报道的p-NP 检测方法(表1)。相较于其他修饰电极，Co3V2O8/GCE表现出了较为良好的性能。这归因于Co3V2O8材料优异的电化学性能，其大表面粗糙度与良好的导电性极大程度地增强了修饰电极对p-NP的电催化活性，也提供了更多的活性位点。实验结果表明Co3V2O8/GCE可用于p-NP 的定量检测，该电极材料在环境检测中具有很好的应用前景。

表1 与其他修饰电极的p -NP检测性能比较

2.5 选择性、重现性和稳定性实验

图11 Co3V2O8/GCE的抗干扰性测试Fig.11 Co3V2O8/GCE anti-interference test

同时，还对修饰电极的重现性和稳定性进行了测试。在相同条件下制备六根Co3V2O8修饰电极，并依次采用DPV法测定含有100 μmol·L-1p-NP的0.1 mol·L-1PBS中的电流响应值，比较其电流响应值，以考察电极的重现性。从图12中可以看出，其测定的电流信号值保持相对稳定，且相对标准偏差约为1.1%，表明所制备的电极具有良好的重现性。此外，还将制备好的电极储存在5 ℃的冰箱内，30 d后取出进行测试，发现其峰电流值仍在95%以上，说明该电极具有优异的稳定性。

图12 Co3V2O8/GCE的重现性测试Fig.12 Co3V2O8/GCE repeatability test

2.6 实际水样分析

为探究Co3V2O8修饰电极对实际环境样品中p-NP的检测能力，对实验室自来水以及从府河采集的污水水样进行测定。自来水水样在实验室中收集，无需进一步处理即可使用。河水水样是从成都市府河中采集的，将其用滤膜过滤以去除水中杂质后方可使用。对自来水和河水进行初步检测后，并未发现p-NP的还原峰电流，因此实验采用DPV法，在优化的测试条件下采用标准加入法进行测定，实验结果如表2所示。样品的回收率在95.7%～102.7%之间，表明环境水样对电极材料的影响较小，Co3V2O8/GCE可以用于环境水样中p-NP的灵敏测定。

表2 实际水样中的p -NP测定(n=3)

3 结论

本文采用水热法合成了Co3V2O8纳米粒子，并将其修饰于玻碳电极用于p-NP的灵敏检测。通过对检测条件的优化，得出最佳催化剂修饰量为8 μL，PBS的最佳pH为6.5，最佳扫描速率为50 mV·s-1。在优化条件下，该修饰电极在采用差分脉冲伏安法检测p-NP时表现出优秀的电催化能力与良好的检测灵敏度，其对p-NP的检测范围在0.33～3 000 μmol·L-1之间，检出限低至0.08 μmol·L-1。该修饰电极具有优异的抗干扰能力与良好的重复性和稳定性。在实际环境水样的检测中，样品回收率保持在95.7%～102.7%之间，表明Co3V2O8修饰玻碳电极在检测实际环境中的p-NP方面具有极大的应用潜力。