南京金材鑫科技有限公司是一家致力于材料表征、理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)外包等科研服務(wù)型公司。旗下?lián)碛锌毓勺庸灸暇┨K展智能科技有限公司，專業(yè)從事納米材料研發(fā)如氧化石墨烯，金屬納米線，介孔分子篩等，擁有“蘇展”納米材料類知名商標(biāo)。

文章題目：Activating Ni nanoparticles into Ni single atoms by N doping for

high-performance electrochemical sensing of glucose

作者： Hang Yin, Xiao Bai, Ziyin Yang *

關(guān)鍵詞：N doping; Ni nanoparticles; Ni single atoms; Glucose; Non-enzymatic sensor

引用信息： Hang Yin, Xiao Bai, Ziyin Yang, Activating Ni nanoparticles into Ni single atoms by N doping for high-performance electrochemical sensing of glucose, Chemical Engineering Journal,478, 2023, 147510,. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147510

一、圖文摘要

二、前言

葡萄糖的含量與人體健康息息相關(guān)。如何快速高效的實(shí)現(xiàn)葡萄糖含量的精準(zhǔn)測(cè)定，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。作為分析化學(xué)的重要組成部分，電化學(xué)傳感為測(cè)定葡萄糖含量提供了契機(jī)。目前，已報(bào)道了多種可高靈敏檢測(cè)葡萄糖的電化學(xué)傳感方法。其中，影響電化學(xué)傳感性能的重要因素是傳感材料的選擇。在各種各樣的傳感材料中，鎳基納米材料由于價(jià)格便宜、來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛關(guān)注。為進(jìn)一步調(diào)控鎳基納米材料的電催化活性，研究者開發(fā)了多種有效的方法。其中，氮摻雜是一種有效的策略。然而，當(dāng)前對(duì)氮摻雜調(diào)控電催化活性的機(jī)制仍不甚明了。

據(jù)報(bào)道，金屬單原子的結(jié)構(gòu)與金屬納米顆粒明顯不同，使得金屬單原子往往展現(xiàn)出一些獨(dú)特的性質(zhì)。而在制備金屬單原子材料時(shí)，碳材料中摻雜的氮雜原子起到了非常重要的作用。這是因?yàn)榻饘賳卧油且耘c氮配位的形式錨定于碳材料載體中。因此，在以往報(bào)道的鎳基納米材料的電化學(xué)傳感研究中，氮摻雜是否誘導(dǎo)了鎳單原子的生成，以及誘導(dǎo)生成的鎳單原子是否對(duì)電催化氧化葡萄糖具有活性，這些都是易被忽視的問題。

因此，在該研究中，通過透射電鏡和球差電鏡發(fā)現(xiàn)了在氮摻雜的碳基體材料中，除了分布有鎳納米顆粒外，還存在著鎳單原子；其次，通過電化學(xué)表征發(fā)現(xiàn)，鎳單原子不僅對(duì)葡萄糖的氧化反應(yīng)展現(xiàn)了電催化活性，而且其活性明顯高于鎳納米顆粒；基于此，構(gòu)建了一種基于鎳單原子的高靈敏檢測(cè)葡萄糖的電化學(xué)傳感新方法。該研究發(fā)現(xiàn)了鎳單原子的電催化活性，為揭示氮摻雜調(diào)控電催化機(jī)制提供了一個(gè)新的視角和思路。

三、文章內(nèi)容概括

通過熱解法法在氮摻雜的碳材料上制備鎳納米顆粒，借助于球差電鏡發(fā)現(xiàn)，鎳單原子也分布在氮摻雜的碳材料中（圖3）。這證明了氮摻雜對(duì)于錨定金屬單原子的重要作用。通過同步輻射表征分析，表明鎳單原子是以與氮配位的形式存在的，并且鎳與氮的配位數(shù)為1：3（圖4D）。

圖3. 鎳金屬單原子的TEM、HAADF-STEM和元素分布圖

圖4 (D). 鎳金屬單原子的傅立葉變換EXAFS譜

通過循環(huán)伏安法研究了鎳單原子與鎳納米顆粒電催化氧化葡萄糖的性能（圖5 C, D）。研究結(jié)果表明，葡萄糖在鎳單原子修飾的電極上氧化反應(yīng)的速率更快，獲得的氧化峰電流也更強(qiáng)。這表明，鎳單原子不僅擁有電化學(xué)活性，而且其電催化能力要比常規(guī)的鎳納米顆粒更高。

圖5 (C, D). 鎳納米顆粒與鎳金屬單原子修飾電極的循環(huán)伏安圖

圖8 (A, B, C). 鎳納米顆粒與鎳金屬單原子對(duì)葡萄糖分子的吸附示意圖及吸附能; (D)

鎳納米顆粒與鎳金屬單原子的Bader電荷分析

以往研究報(bào)道，傳感材料對(duì)葡萄糖分子擁有比較強(qiáng)的吸附能，這有利于促進(jìn)葡萄糖分子的電化學(xué)氧化反應(yīng)。通過模擬計(jì)算表明，鎳單原子相對(duì)于鎳納米顆粒來說，其對(duì)葡萄糖分子的吸附能力更弱（圖8 A, B, C）。這表明，鎳單原子良好的電催化活性并非源于其對(duì)葡萄糖的吸附。借助于差分電荷密度分析，發(fā)現(xiàn)鎳單原子比鎳納米顆粒失去了更多的電子，呈現(xiàn)了更高的價(jià)態(tài)（圖8 D）。這對(duì)于促進(jìn)葡萄糖的氧化反應(yīng)可能具有積極作用。

四、重要結(jié)論

在利用熱解法制備金屬納米材料時(shí)，氮摻雜確實(shí)易于誘導(dǎo)金屬單原子的生成，且金屬單原子展現(xiàn)了較為可觀的電催化活性。該研究不僅為揭示氮摻雜調(diào)控電化學(xué)傳感機(jī)制提供了一種新的解釋，而且證明了金屬單原子是一種非常有前景的傳感材料，從而豐富了金屬單原子材料在電化學(xué)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，也為構(gòu)建高性能的電化學(xué)傳感分析新方法提供了思路。