本發(fā)明屬于分析測(cè)試領(lǐng)域,具體涉及一種二氧化硫的檢測(cè)方法。
背景技術(shù):
二氧化硫(化學(xué)式so2)是最常見(jiàn)、最簡(jiǎn)單的硫氧化物,是大氣主要污染物之一?;鹕奖l(fā)時(shí)會(huì)噴出該氣體,由于煤和石油通常都含有硫元素,在燃燒時(shí)會(huì)生成二氧化硫,因此在許多工業(yè)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生二氧化硫。當(dāng)二氧化硫溶于水中,會(huì)形成亞硫酸。亞硫酸進(jìn)一步在pm2.5存在的條件下氧化,便會(huì)迅速高效生成硫酸(酸雨的主要成分)。這就是對(duì)使用這些燃料作為能源造成的環(huán)境效果的擔(dān)心主要原因之一。
大氣環(huán)境資源的破壞是一種不可逆過(guò)程,恢復(fù)良好的大氣質(zhì)量要比防治大氣污染付出高昂若干倍的代價(jià)。要防治污染,就要首先了解污染,要正確地了解污染物來(lái)源于何處,成分是什么,污染物含量有多少,對(duì)這一切做出周密、認(rèn)真而廣泛的調(diào)查研究后,才能制定出防治的辦法和措施,為此就要進(jìn)行廣泛的環(huán)境檢測(cè)或監(jiān)測(cè)。
對(duì)于環(huán)境中二氧化硫含量的檢測(cè),目前基于半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電聚合物的二氧化硫氣體電化學(xué)阻抗式傳感器仍然占主導(dǎo)地位。該類(lèi)型的傳感器具有高的電子遷移率、靈敏的感知度、快速響應(yīng)和恢復(fù)等性能。但是該傳感器仍然存在著不能耐高溫的缺陷,且電化學(xué)傳感器件表面金屬氧化物的形貌和穩(wěn)定性在高溫檢測(cè)條件下也會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于那些采用導(dǎo)電聚合物作為傳感元件的傳感器而言,其具有易制備和在室溫操作的優(yōu)勢(shì),但也還存在著不穩(wěn)定和易降解的缺陷。
有鑒于此,我們迫切需要研究基于不同原理的新型的二氧化硫氣體傳感器和檢測(cè)方法。提升檢測(cè)效率和效果,滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的社會(huì)需求和市場(chǎng)需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
發(fā)明目的:本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,基于全新的反應(yīng)機(jī)理,從而構(gòu)建新型、簡(jiǎn)便、穩(wěn)健、高效的光電化學(xué)檢測(cè)平臺(tái)并將其用于二氧化硫的高效檢測(cè)的方法;
本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于二氧化硫檢測(cè)的光電化學(xué)傳感器的構(gòu)建方法。
技術(shù)方案:本發(fā)明所述二氧化硫的光電化學(xué)檢測(cè)方法,包括如下步驟:
(1)將切片的ito電極用堿液清洗干凈;
(2)制備ba2+摻雜的tio2納米空心球懸浮液作為試劑一,再將試劑一稀釋20~40倍,取15~30微升稀釋后的試劑一滴涂至步驟(1)得到的ito電極的一端,并在室溫下干燥;
(3)測(cè)試前,將該電極用水進(jìn)行潤(rùn)洗,得到ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極;
(4)將步驟(3)制備的ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極與不同濃度值的硫酸根離子作用;
(5)根據(jù)步驟(4)中硫酸根離子濃度對(duì)ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極光電流的定量影響,建立定量線(xiàn)性方程并繪制定量曲線(xiàn),該定量曲線(xiàn)用于二氧化硫的測(cè)定。
本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選地技術(shù)方案為,步驟(4)中ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極分別與濃度值為0,1,2,4,6,8,10,20,40,60,80,100,200,400,600,800,1000,2000和4000pmol·l-1的硫酸根離子作用;再根據(jù)各濃度值對(duì)修飾ito電極光電流的影響,建立3個(gè)數(shù)量級(jí)的定量線(xiàn)性方程。
優(yōu)選地,步驟(2)中ba2+摻雜的tio2納米空心球懸浮液的制備方法包括如下步驟:
a、合成sio2微球:將3.2~5.2毫升99%的四乙基原硅酸鹽加入到無(wú)水乙醇、水和26%氨水組成的混合溶劑一中得到的混合溶液一,將混合溶液一在室溫下磁力攪拌4~6小時(shí)后,用無(wú)水乙醇離心洗滌三次并保存在20~40毫升的無(wú)水乙醇中;
b、制備sio2@tio2核殼微球:將制備好的4~6毫升sio2微球分散在50~70毫克的無(wú)水乙醇、乙腈和26%氨水的混合溶劑二中,攪拌8~15分鐘得到混合溶液二;再將已用4~6毫升無(wú)水乙醇分散好的鈦酸四丁酯加入至混合溶液二中,并攪拌1.5~3小時(shí)得到混合溶液三;將混合溶液三用乙醇和水分別進(jìn)行2~3次離心洗滌后,分散在15~30毫升的水中;
c、制備空心球納米tio2:將15~30毫升sio2@tio2的分散液與3~5毫升1.5~3mol·l-1的naoh溶液混合得到混合溶液四,將混合溶液四加熱回流3~5小時(shí),離心水洗2~3次得到空心球納米tio2;
d、制備ba2+摻雜的tio2納米空心球:將c步驟得到的空心球納米tio2分散在8~15毫升0.08~0.2moll-1的氯化鋇溶液中,并在室溫下攪拌4~7小時(shí),然后進(jìn)行離心水洗2~3次得到ba2+摻雜tio2納米空心球,并將其分散在4~6毫升的水里。
優(yōu)選地,步驟a中混合溶劑一由105~135毫升的無(wú)水乙醇、8.5~10.5毫升的水和2.68~4.68毫升的26%氨水組成.
優(yōu)選地,步驟b中混合溶劑二由10~20毫升的無(wú)水乙醇、8~15毫升的乙腈和0.1~0.3毫升的26%氨水組成。
優(yōu)選地,步驟(2)中還包括制備tio2納米空心球懸浮液作為試劑二,采用與試劑一相同的處理步驟作為對(duì)比例。
本發(fā)明的二氧化硫的光電化學(xué)傳感器的構(gòu)建方法,包括如下步驟:
(1)合成sio2微球:將3.2~5.2毫升99%的四乙基原硅酸鹽加入到無(wú)水乙醇、水和26%氨水組成的混合溶劑一中得到的混合溶液一,將混合溶液一在室溫下磁力攪拌4~6小時(shí)后,用無(wú)水乙醇離心洗滌三次并保存在20~40毫升的無(wú)水乙醇中;
(2)制備sio2@tio2核殼微球:將制備好的4~6毫升sio2微球分散在50~70毫克的無(wú)水乙醇、乙腈和26%氨水的混合溶劑二中,攪拌8~15分鐘得到混合溶液二;再將已用4~6毫升無(wú)水乙醇分散好的鈦酸四丁酯加入至混合溶液二中,并攪拌1.5~3小時(shí)得到混合溶液三;將混合溶液三用乙醇和水分別進(jìn)行2~3次離心洗滌后,分散在15~30毫升的水中;
(3)制備空心球納米tio2:將15~30毫升sio2@tio2的分散液與3~5毫升1.5~3mol·l-1的naoh溶液混合得到混合溶液四,將混合溶液四加熱回流3~5小時(shí),離心水洗2~3次得到空心球納米tio2;
(4)制備ba2+摻雜的tio2納米空心球:將c步驟得到的空心球納米tio2分散在8~15毫升0.08~0.2moll-1的氯化鋇溶液中,并在室溫下攪拌4~7小時(shí),然后進(jìn)行離心水洗2~3次得到ba2+摻雜tio2納米空心球,并將其分散在4~6毫升的水里。
(5)將切片的ito電極用堿液清洗干凈;
(6)制備ba2+摻雜的tio2納米空心球懸浮液作為試劑一,再將試劑一稀釋20~40倍,取15~30微升稀釋后的試劑一滴涂至步驟(1)得到的ito電極的一端,并在室溫下干燥;
(7)將該電極用水進(jìn)行潤(rùn)洗,得到ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極,作為二氧化硫的光電化學(xué)傳感器。
優(yōu)選地,步驟(1)中混合溶劑一由105~135毫升的無(wú)水乙醇、8.5~10.5毫升的水和2.68~4.68毫升的26%氨水組成.
優(yōu)選地,步驟(2)中混合溶劑二由10~20毫升的無(wú)水乙醇、8~15毫升的乙腈和0.1~0.3毫升的26%氨水組成。
本發(fā)明利用的主要原理是:基于鋇離子摻雜納米二氧化鈦修飾電極,在硫酸根離子存在的條件下,生成的硫酸鋇納米粒子定量地影響光電流的變化。也就是說(shuō),二氧化硫的濃度越大,生成的硫酸根濃度越大,即生成的納米硫酸鋇的量就越多,其定量影響光電流的幅度就越大。
本發(fā)明的二氧化硫的測(cè)定以及相對(duì)應(yīng)的光電傳感器的構(gòu)建面臨的主要難點(diǎn)包括:
1、可控合成單分散且尺寸均一的二氧化硅微球;
2、基于單分散且尺寸均一的二氧化硅微球,可控合成sio2@tio2核殼微球,控制tio2的厚度且保證殼結(jié)構(gòu)的完整性;
3、調(diào)控鋇離子的量,使其充分地置換出tio2殼結(jié)構(gòu)里的鈉離子,且保證鋇離子穩(wěn)定地存在于tio2殼結(jié)構(gòu)里;
4、將被測(cè)物二氧化硫和雙氧水反應(yīng),并將其進(jìn)一步衍生轉(zhuǎn)化為硫酸鈉;
5、構(gòu)建新型、簡(jiǎn)便、穩(wěn)健、高效的光電化學(xué)檢測(cè)平臺(tái)并將其用于二氧化硫的高效檢測(cè)。
有益效果:針對(duì)技術(shù)問(wèn)題和上述的各項(xiàng)難點(diǎn),本發(fā)明鋇離子摻雜納米二氧化鈦空心球能夠有效地形成氧空位,促進(jìn)載流子對(duì)的有效分離,且氧空位是良好的空穴捕捉劑,有益于定向高濃度光電子的生成,即有益于光電檢測(cè)信號(hào)的產(chǎn)生及光電化學(xué)傳感靈敏度的提高;鋇離子的原位摻雜同時(shí)還成為檢測(cè)目標(biāo)物二氧化硫的探針離子;通過(guò)過(guò)氧化氫氧化二氧化硫得到稀硫酸,并通過(guò)氫氧化鈉中和得到等摩爾量的硫酸根離子,為實(shí)現(xiàn)在室溫下光電化學(xué)檢測(cè)二氧化硫提供了一種新的方法;通過(guò)二氧化硅模板法可控制備了耐酸堿的納米二氧化鈦空心球,為光電化學(xué)檢測(cè)二氧化硫的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性提供了重要保證。
此外,本發(fā)明基于鋇離子原位交換納米二氧化鈦殼層里的鈉離子,采用化學(xué)衍生法,通過(guò)雙氧水將二氧化硫氧化生成稀硫酸,再通過(guò)氫氧化鈉中和得到硫酸鈉溶液,硫酸鈉溶液和鋇離子作用可生成硫酸鋇納米粒子。
本發(fā)明的檢測(cè)方法具有簡(jiǎn)單、易操作、成本低、靈敏度高、選擇性好和在室溫操作等優(yōu)點(diǎn);本發(fā)明構(gòu)建的傳感器是構(gòu)建簡(jiǎn)便、快速、高靈敏、高特異性、寬線(xiàn)性范圍和室溫操作的光電化學(xué)傳感器的努力方向,目前為止,還未見(jiàn)有基于本申請(qǐng)中原理進(jìn)行二氧化硫光電化學(xué)檢測(cè)的報(bào)道,本申請(qǐng)的光電化學(xué)方法檢測(cè)二氧化硫填補(bǔ)了目前技術(shù)層面上的空白。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明中二氧化硫光電化學(xué)法檢測(cè)的構(gòu)建原理圖;
圖2(a)為sio2微球的掃描電鏡圖片;圖2(b)為sio2@tio2核殼微球的掃描電鏡圖片;圖2(c)為tio2納米空心球的透射電鏡圖片;圖2(d)為ba2+摻雜的tio2納米空心球的透射電鏡圖片;
圖3為baso4納米粒子摻雜tio2納米空心球的x射線(xiàn)光電子能譜圖;
圖4為不同材料修飾電極的光電流曲線(xiàn)圖,圖中a采用空心球納米tio2/ito電極,b采用ba2+摻雜空心球納米tio2/ito電極,c采用baso4納米粒子摻雜空心球納米tio2/ito電極;
圖5(a)為ba2+摻雜空心球納米tio2/ito電極在ph7.0的0.1mol·l-1pbs中含有濃度為0,1,2,4,6,8,10,20,40,60,80,100,200,400,600,800,1000,2000和4000pmol·l-1na2so4的光電流曲線(xiàn)圖;圖5(b)為與圖5(a)對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性方程曲線(xiàn)圖;
圖6為常見(jiàn)氣體對(duì)應(yīng)離子的相對(duì)干擾比例的柱形圖。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明,但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。
實(shí)施例1:一種二氧化硫的光電化學(xué)檢測(cè)方法,包括如下步驟:
(1)合成sio2微球:將3.2毫升99%的四乙基原硅酸鹽加入到105毫升的無(wú)水乙醇、8.5毫升的水和2.68毫升的26%氨水中,在室溫下磁力攪拌4小時(shí)后,用無(wú)水乙醇離心洗滌三次并保存在20毫升的無(wú)水乙醇中;
(2)制備sio2@tio2核殼微球:將制備好的4毫升sio2微球分散在50毫克的10毫升的無(wú)水乙醇、8毫升的乙腈和0.1毫升的26%氨水組成的混合溶液中攪拌8分鐘;再加入已用4毫升無(wú)水乙醇分散好的鈦酸四丁酯,并攪拌1.5小時(shí),然后用乙醇和水分別進(jìn)行2次離心洗滌后,分散在15毫升的水中;
(3)制備空心球納米tio2:將15毫升sio2@tio2的分散液與3毫升1.5mol·l-1的naoh溶液混合并加熱回流3小時(shí),離心水洗2次得到空心球納米tio2;
(4)制備ba2+摻雜的tio2納米空心球:將c步驟得到的空心球納米tio2分散在8毫升0.08moll-1的氯化鋇溶液中,并在室溫下攪拌4小時(shí),然后進(jìn)行離心水洗2次得到ba2+摻雜tio2納米空心球,并將其分散在4毫升的水里;如圖3所示,從圖中的各元素譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)的結(jié)合能可以看出baso4納米粒子已經(jīng)成功地?fù)诫s進(jìn)tio2納米空心球;
(5)ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極:將切片的ito電極用堿液清洗干凈;將制備好的ba2+摻雜的tio2納米空心球懸浮液稀釋20倍,取15微升稀釋后的ba2+摻雜的tio2納米空心球懸浮液涂至ito電極的一端,并在室溫下干燥;測(cè)試前,將該電極用水進(jìn)行潤(rùn)洗,得到ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極;
(6)二氧化硫光電化學(xué)檢測(cè)法的構(gòu)建:將ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極與濃度值為0,1,2,4,6,8,10,20,40,60,80,100,200,400,600,800,1000,2000和4000pmol·l-1的硫酸根離子作用,根據(jù)硫酸根離子濃度對(duì)ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極光電流的定量影響,建立3個(gè)數(shù)量級(jí)的定量線(xiàn)性方程并繪制定量曲線(xiàn),該定量曲線(xiàn)用于二氧化硫的測(cè)定;
(7)二氧化硫檢測(cè):待檢測(cè)樣品與步驟(5)得到的ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極作用,得到ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極的光電流值,與步驟(6)的定量曲線(xiàn)比較,測(cè)定樣品中的二氧化硫含量。
實(shí)施例2:一種二氧化硫的光電化學(xué)檢測(cè)方法,包括如下步驟:
(1)合成sio2微球:將4.2毫升99%的四乙基原硅酸鹽加入到115毫升的無(wú)水乙醇、9.5毫升的水和3.68毫升的26%氨水中,在室溫下磁力攪拌5小時(shí)后,用無(wú)水乙醇離心洗滌三次并保存在30毫升的無(wú)水乙醇中;
(2)制備sio2@tio2核殼微球:將制備好的5毫升sio2微球分散在60毫克的15毫升的無(wú)水乙醇、10毫升的乙腈和0.2毫升的26%氨水組成的混合溶液中攪拌10分鐘;再加入已用5毫升無(wú)水乙醇分散好的鈦酸四丁酯,并攪拌2小時(shí),然后用乙醇和水分別進(jìn)行3次離心洗滌后,分散在20毫升的水中;
(3)制備空心球納米tio2:將20毫升sio2@tio2的分散液與4毫升2mol·l-1的naoh溶液混合并加熱回流4小時(shí),離心水洗3次得到空心球納米tio2;
(4)制備ba2+摻雜的tio2納米空心球:將c步驟得到的空心球納米tio2分散在10毫升0.1moll-1的氯化鋇溶液中,并在室溫下攪拌6小時(shí),然后進(jìn)行離心水洗3次得到ba2+摻雜tio2納米空心球,并將其分散在5毫升的水里;
(5)ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極:將切片的ito電極用堿液清洗干凈;將制備好的ba2+摻雜的tio2納米空心球懸浮液稀釋30倍,取20微升稀釋后的ba2+摻雜的tio2納米空心球懸浮液涂至ito電極的一端,并在室溫下干燥;測(cè)試前,將該電極用水進(jìn)行潤(rùn)洗,得到ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極;
(6)二氧化硫光電化學(xué)檢測(cè)法的構(gòu)建:將ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極與濃度值為0,1,2,4,6,8,10,20,40,60,80,100,200,400,600,800,1000,2000和4000pmol·l-1的硫酸根離子作用,根據(jù)硫酸根離子濃度對(duì)ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極光電流的定量影響,建立3個(gè)數(shù)量級(jí)的定量線(xiàn)性方程并繪制定量曲線(xiàn),該定量曲線(xiàn)用于二氧化硫的測(cè)定;
(7)二氧化硫檢測(cè):待檢測(cè)樣品與步驟(5)得到的ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極作用,得到ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極的光電流值,與步驟(6)的定量曲線(xiàn)比較,測(cè)定樣品中的二氧化硫含量。
實(shí)施例3:一種二氧化硫的光電化學(xué)檢測(cè)方法,包括如下步驟:
(1)合成sio2微球:將5.2毫升99%的四乙基原硅酸鹽加入到135毫升的無(wú)水乙醇、10.5毫升的水和4.68毫升的26%氨水中,在室溫下磁力攪拌6小時(shí)后,用無(wú)水乙醇離心洗滌三次并保存在40毫升的無(wú)水乙醇中;
(2)制備sio2@tio2核殼微球:將制備好的6毫升sio2微球分散在70毫克的20毫升的無(wú)水乙醇、15毫升的乙腈和0.3毫升的26%氨水組成的混合溶液中攪拌15分鐘;再加入已用6毫升無(wú)水乙醇分散好的鈦酸四丁酯,并攪拌3小時(shí),然后用乙醇和水分別進(jìn)行3次離心洗滌后,分散在30毫升的水中;
(3)制備空心球納米tio2:將30毫升sio2@tio2的分散液與5毫升3mol·l-1的naoh溶液混合并加熱回流5小時(shí),離心水洗3次得到空心球納米tio2;
(4)制備ba2+摻雜的tio2納米空心球:將c步驟得到的空心球納米tio2分散在15毫升0.2moll-1的氯化鋇溶液中,并在室溫下攪拌7小時(shí),然后進(jìn)行離心水洗3次得到ba2+摻雜tio2納米空心球,并將其分散在6毫升的水里;
(5)ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極:將切片的ito電極用堿液清洗干凈;將制備好的ba2+摻雜的tio2納米空心球懸浮液稀釋40倍,取30微升稀釋后的ba2+摻雜的tio2納米空心球懸浮液涂至ito電極的一端,并在室溫下干燥;測(cè)試前,將該電極用水進(jìn)行潤(rùn)洗,得到ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極;
(6)二氧化硫光電化學(xué)檢測(cè)法的構(gòu)建:將ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極與濃度值為0,1,2,4,6,8,10,20,40,60,80,100,200,400,600,800,1000,2000和4000pmol·l-1的硫酸根離子作用,根據(jù)硫酸根離子濃度對(duì)ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極光電流的定量影響,建立3個(gè)數(shù)量級(jí)的定量線(xiàn)性方程并繪制定量曲線(xiàn),該定量曲線(xiàn)用于二氧化硫的測(cè)定;
(7)二氧化硫檢測(cè):待檢測(cè)樣品與步驟(5)得到的ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極作用,得到ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極的光電流值,與步驟(6)的定量曲線(xiàn)比較,測(cè)定樣品中的二氧化硫含量。
對(duì)比例1:該對(duì)比例中,在修飾工作電極時(shí),同時(shí)建立兩組對(duì)照實(shí)驗(yàn),第一組以tio2納米空心球修飾ito電極,第二組以baso4納米粒子摻雜空心球納米tio2修飾ito電極。其余的步驟與各實(shí)施例一致。其中,第一組的電極與3個(gè)實(shí)施例中ba2+摻雜的tio2納米空心球修飾ito電極的測(cè)試條件相同:在ph7.0的0.1moll-1pbs中、偏電位為0.2v、入射光源為150w的氙燈;第二組的電極的測(cè)試條件為:在ph7.0的0.1moll-1pbs中含有1.0moll-1na2so4、偏電位為0.2v、入射光源為150w的氙燈。各組的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。
對(duì)比例2:該對(duì)比例中,為了驗(yàn)證該測(cè)試方法的可行性,以50倍的nh4+,50倍的s2-,50倍的co32-,10倍的no2-,100倍的cl-和10倍的上述每種離子混合加入對(duì)硫酸根離子的測(cè)定過(guò)程中,圖6中結(jié)果表面,上述離子對(duì)硫酸根離子的測(cè)定信號(hào)影響均不超過(guò)8.7%,對(duì)本檢測(cè)體系不構(gòu)成干擾,該方法具有優(yōu)良的選擇性。
如上所述,盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明,但其不得解釋為對(duì)本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下,可對(duì)其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。