Tin tức

       Bằng cách áp dụng phương pháp thủy nhiệt đơn giản, các hệ vật liệu MIL-53(Fe), MIL-53(Al) và MIL-101(Cr) đã được nhóm nghiên cứu tổng hợp thành công và sử dụng như là những vật liệu có tiềm năng cao cho sự biến tính hiệu quả bề mặt điện cực in lưới carbon (SPE) nhờ vào các ưu điểm vượt trội của chúng. Với cấu trúc tinh thể mao quản được xây dựng dựa trên quá trình sắp xếp ngẫu nhiên của các ion kim loại hóa trị (III) và các phân tử linker hữu cơ mang đến cho các vật liệu MIL độ ổn định cấu trúc cao, kích thước lỗ mao quản lớn, diện tích bề mặt riêng lớn, giá thành thấp, không độc hại, tính chất quang, quang điện và xúc tác điện tuyệt vời. Mặt khác, từ góc độ cấu trúc tinh thể, cả MIL-53(Al) và MIL-53(Fe) đều có cùng công thức là M(OH){O₂C-C₆H₄-CO₂}, trong khi MIL-101(Cr) lại có công thức Cr₃F(H₂O)₂O{O₂C-C₆H₄-CO₂}₃ với các khối siêu tứ diện có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều so với MIL-53(Al) và MIL-53(Fe). Quan trọng hơn, cả ba vật liệu đều là những vật liệu bán dẫn có nhiều đặc tính vật lý tương tự nhau. Bỏ qua các ưu điểm kể trên, chỉ độ dẫn điện yếu của chúng gây ra bởi sự tồn tại của các liên kết hữu cơ trong cấu trúc tinh thể cũng đã là một nhược điểm lớn trong các ứng dụng công nghệ cảm biến. Mặc dù vậy, ở lĩnh vực cảm biến điện hóa, hàng loạt các báo cáo về tiềm năng hứa hẹn của các vật liệu MIL vẫn đã và đang được ghi nhận. Hầu hết trong số đó đều chỉ ra được những tác động tích cực của MIL vào hiệu suất điện hóa thông qua sự cải thiện về khả năng đáp ứng dòng, độ chọn lọc, độ ổn định, độ tái lặp của điện cực. Tuy nhiên, các báo cáo chi tiết và phân tích chuyên sâu về nguồn gốc và bản chất ảnh hưởng của các vật liệu MIL đối với các đặc tính điện hóa vẫn còn nhiều hạn chế. Do đó, trong báo cáo này nhóm nghiên cứu chúng tôi lựa chọn bài toán tập trung vào việc khai thác và đánh giá chuyên sâu các tác động của MIL đến các đặc điểm điện hóa của điện cực là như thế nào? Cụ thể, trong trường hợp này, các đặc điểm điện hóa bao gồm tính dẫn điện, dung lượng hấp phụ, và khả năng xúc tác điện tương ứng với các thông số: diện tích bề mặt điện hóa hoạt động (AESA), dung lượng hấp phụ (Γ), khả năng khuếch tán, hoạt tính xúc tác điện trong các phản ứng điện hóa, và khả năng tương tác của chất hấp phụ với bề mặt điện cực đã tính toán và thảo luận chi tiết.

Hình 1. Hình ảnh TEM của các mẫu vật liệu MIL đề xuất

        Với các thông số kết cấu xốp và thành phần cấu trúc khác nhau trong MIL-53(Fe), MIL-101(Cr) và MIL-53(Al), các đặc điểm vật lý và hành vi điện hóa, cũng như các hiệu suất điện hóa trong việc phát hiện CAP ở mỗi điện cực được sửa đổi bởi ba vật liệu kể trên đã được đánh giá một cách có hệ thống thông qua các phép đo quét thế vòng tuần hoàn (CV) và phép đo von - ampe xung vi sai (DPV) riêng biệt. Kết quả thu được cho thấy, các điện cực MIL-53(Fe)/SPE và MIL-101(Cr)/SPE thể hiện hiệu suất điện hóa tuyệt vời so với điện cực trần SPE và thậm chí là điện cực biến tính bởi MIL-53(Al)/SPE. Tương tự trong phát hiện CAP, các điện cực này cũng cho thấy hiệu suất vượt trội hơn hẳn khi cho thấy các dải phát hiện nồng độ lớn hơn và giá trị giới hạn phát hiện LOD thấp hơn. Trong khi đó, MIL-53(Al)/SPE cho thấy hiệu suất điện hóa khá kém, trên thực tế, với MIL-53(Al), mặc dù nó cho thấy sự gia tăng trong EASA, nhưng nó không đủ để mang lại về sự cải thiện đáng kể trong phát hiện CAP do khả năng dẫn điện tử kém và thiếu đi các vị trí xúc tác điện. Ngược lại, các điện cực được sửa đổi bằng MIL-53(Fe) và MIL-101(Cr) cho thấy những tín hiệu tích cực hơn thông qua việc tăng cường cả giá trị EASA, khả năng xúc tác điện, khả năng hấp phụ, khả năng khuếch tán và khả năng tương thích với các phân tử CAP. Cụ thể hơn, MIL-101(Cr) không chỉ sở hữu diện tích bề mặt lớn và thể tích lỗ chân lông lớn mà còn cũng có nhiều vị trí kim loại xúc tác điện mạnh (ion Cr³⁺). Tuy nhiên, ở đây nó bị hạn chế bởi hiệu ứng không gian lớn do kích thước lỗ nhỏ, khả năng hấp phụ và khuếch tán kém do lực tương tác mạnh với các phân tử nước với các tâm kim loại. Trong khi, MIL-53(Fe) với một diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ nhỏ hơn nhiều, nhưng nó vẫn sở hữu số lượng lớn các tâm kim loại xúc tác điện (ion Fe³⁺) với khả năng tương tác và khả năng hấp phụ lớn với CAP thông qua liên kết hiđro và tương tác yếu với phân tử nước. Như một kết quả, hiệu suất điện hóa của CAP trên cả hai điện cực MIL-53(Fe)/SPE và MIL-101(Cr)/SPE gần như tương tự nhau.

        Kết luận quan trọng rút ra được từ báo cáo này là việc tìm được sự cân bằng giữa độ dẫn điện và khả năng hấp phụ cũng như khả năng xúc tác điện của vật liệu MIL là vô cùng quan trọng trong các ứng dụng cảm biến điện hóa thông minh. MIL được sử dụng đểbiến tính điện cực SPE không nhất thiết phải có độ dẫn điện quá cao, thay vào đó, các giá trị của dung lượng hấp phụ và hoạt động xúc tác điện cần được tận dụng tối đa. Một vật liệu điện hóa tiềm năng cao không chỉ phải đáp ứng được độ dẫn điện tốt mà còn phải đáp ứng cả về khả năng hấp phụ cao và có hoạt động xúc tác điện mạnh. Chi tiết bài báo xem tại đây