【儀表網 儀表研發】近期，中國科學院合肥物質科學研究院智能機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)旋轉模式研究了不同晶相FeOOH納米棒的橫截面結構并闡明其晶體生長方向；結合同步輻射X射線吸收精細結構(XAFS)技術和動力學模擬計算等手段，揭示了其在重金屬離子電化學分析過程中的優勢晶相新機制。
 

　　X射線是一種波長極短，能量很大的電磁波，X射線的波長比可見光的波長更短(約在0.001～10納米，醫學上應用的X射線波長約在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。 由德國物理學家W.K.倫琴于1895年發現，故又稱倫琴射線。
 

　　晶相是結晶的微觀結構，由晶體中高分子鏈的構象及其排布所決定，種類有：單晶、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，含量少的稱次級晶相或第二晶相。有時在晶界上還可能發現有第二晶相存在，它的存在一般需用X射線結構分析如X射線圖，能譜分析，晶格條紋像等進行確定。陶瓷材料的晶體主要是單一氧化物(如Al2O3，MgO)和復合氧化物(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、硅化物等相應組分的晶體存在。陶瓷材料的性能和主晶相的種類、數量、分布及缺陷狀況等密切有關。
 

　　金屬氫氧化物納米材料由于其優異的催化性質而被廣泛應用于能源和環境領域。盡管已有報道表明金屬氫氧化物納米材料不同的晶相結構表現出獨特的電化學性能，但是，由于催化反應體系復雜，影響其電催化性質的因素眾多，對于金屬氫氧化物納米材料晶相依賴的電化學行為背后的關鍵因素難以確認。一方面是缺乏從原子層面上理解納米材料與目標分析物之間的相互作用；另一方面是催化反應中的動力學過程不甚清楚。此外，對于不同晶相的金屬氫氧化物納米材料的內部結構和生長方向缺乏直接證據。而闡明納米材料的結構與電化學性能之間的關系對于設計有效的敏感界面具有重要指導意義。
 

　　氫氧化物普遍呈堿性，但堿性的強弱不同，這取決于與氫氧根結合的金屬陽離子對應元素的電負性，電負性越小，則其氫氧化物越容易在溶液中釋放出氫氧根，堿性越強。反之，電負性越大，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不同的角度研究其橫截面形狀，結合晶格條紋間距與納米衍射對應晶面的分析結果，從實驗上證實了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納米棒生長方向均為[001]方向。然后，利用α-和β-FeOOH納米棒構筑敏感界面研究其電化學分析行為，檢測結果表明α-FeOOH對Pb(II)的檢測靈敏度比β-FeOOH高約17倍。結合同步輻射XAFS技術和動力學模擬計算等手段闡明電化學分析過程中優勢晶相α-FeOOH納米棒的檢測信號增強機制。XAFS與紅外光譜(FT-IR)研究結果表明，與β-FeOOH相比，在α-FeOOH上發現了更多的表面羥基，這有助于對目標分析物Pb(II)的富集，而吸附在α-FeOOH上的Pb-O鍵較長，促進Pb(II)擴散到電極表面發生氧化還原反應，從而獲得增強的電化學信號。動力學過程模擬計算結果明確了α-和β-FeOOH對目標分析物的吸附速率與吸附容量是優勢晶相增強電化學敏感性能的決定因素。
 

　　電化學是研究兩類導體形成的帶電界面現象及其上所發生的變化的科學。電和化學反應相互作用可通過電池來完成，也可利用高壓靜電放電來實現(如氧通過無聲放電管轉變為臭氧)，二者統稱電化學，后者為電化學的一個分支，稱放電化學。由于放電化學有了專門的名稱，因而，電化學往往專門指“電池的科學”。
 

　　電化學如今已形成了合成電化學、量子電化學、半導體電化學、有機導體電化學、光譜電化學、生物電化學等多個分支。
 

　　該工作的研究發現一方面擴展了對不同晶相FeOOH結構的理解，為其表面原子排列模型提供了實驗依據；另一方面從原子層面上揭示了優勢晶相電化學分析行為的敏感增強新機制，為研究新型納米材料用于電化學分析檢測及對其他金屬氫氧化物納米材料的功能應用提供了有效的理論支持。