界面工程构建CoP/磷氮多孔炭实现镉铅同步高灵敏检测研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2025-0118

无机盐工业 ›› 2025, Vol. 57 ›› Issue (10): 119-128.doi: 10.19964/j.issn.1006-4990.2025-0118

界面工程构建CoP/磷氮多孔炭实现镉铅同步高灵敏检测研究

李慧宇¹^,²(), 杨超¹^,², 朱保顺¹^,², 张晋³, 程志晗⁴, 欧阳全胜¹^,²()

1.山西科技学院材料科学与工程学院，山西晋城 048011
2.晋城市油气压裂支撑剂与无机功能材料技术创新中心，山西晋城 048011
3.山西科技学院化学工程学院，山西晋城 048011
4.山西科技学院智能制造工程学院，山西晋城 048011

收稿日期:2025-03-13 出版日期:2025-10-10 发布日期:2025-10-27
通讯作者: 欧阳全胜（1968— ），男，博士，教授，主要研究方向为新能源材料与器件、资源循环再生、先进功能材料在环境科学与工程中的应用；E-mail：qsouyang@163.com。
作者简介:李慧宇（1996— ），女，博士，讲师，主要研究方向为多孔炭材料的制备及其对水中重金属离子的吸附和检测；E-mail：lihuiyu@sxist.edu.cn。

Study on interface-engineered CoP/phosphorus-nitrogen porous carbon for simultaneous and highly sensitive detection of Cd²⁺ and Pb²⁺

LI Huiyu¹^,²(), YANG Chao¹^,², ZHU Baoshun¹^,², ZHANG Jin³, CHENG Zhihan⁴, OUYANG Quansheng¹^,²()

1. School of Materials Science and Engineering，Shanxi Institute of Science and Technology，Jincheng 048011，China
2. Jincheng Technical Innovation Center for Oil and Gas Fracturing Proppants and Inorganic Functional Materials，Jincheng 048011，China
3. School of Chemical Engineering，Shanxi Institute of Science and Technology，Jincheng 048011，China
4. School of Intelligent Manufacturing Engineering，Shanxi Institute of Science and Technology，Jincheng 048011，China

Received:2025-03-13 Published:2025-10-10 Online:2025-10-27

摘要/Abstract

摘要：

为满足水体重金属离子快速检测需求，采用水热-碳化-磷化多步耦合策略构筑了磷化钴修饰磷氮共掺杂多孔炭管（CoP@P-N-C-550），并开发出新型电化学传感平台用于Cd²⁺和Pb²⁺高灵敏度检测。通过杂原子掺杂与金属磷化协同调控材料电子结构，结合炭管多孔形貌的传质优势，显著提升电极界面电子转移效率。实验表明：单离子检测时，Cd²⁺为0.05~6.00 μmol/L时，灵敏度达15.226 4 μA/（μmol/L）、检测限（LOD）为5.36 nmol/L，Pb²⁺为0.50~6.00 μmol/L时，灵敏度达26.773 6 μA/（μmol/L）、LOD为3.13 nmol/L；双离子同步检测时，Pb²⁺灵敏度提升至37.008 8 μA/（μmol/L），LOD降至2.20 nmol/L，有效规避离子间干扰。该传感器重复性优异（10次制备对Cd²⁺和Pb²⁺检测的RSD<2.4%），在实际水样（矿泉水、自来水）中对Cd²⁺（91.00%~104.00%）与Pb²⁺（87.00%~104.33%）实现了高精度回收，突破传统电极抗基质干扰瓶颈。此研究为多金属离子同步检测提供了界面工程优化新策略，在环境监测领域具有重要应用价值。

关键词: 磷化钴（CoP）, 磷氮共掺杂多孔炭管, Cd²⁺检测, Pb²⁺检测, 电化学传感

Abstract:

To meet the demand for rapid detection of heavy metal ions in water，a novel electrochemical sensing platform based on phosphorus-doped cobalt phosphide modified phosphorus and nitrogen co-doped porous carbon tubes（CoP@P-N-C-550） was developed through a hydrothermal-carbonization-phosphidation coupled strategy.The electronic structure of the material was innovatively regulated by heteroatom doping and metal phosphide synergistic effect，and combined with the mass transfer advantage of the porous carbon tube morphology，the electron transfer efficiency at the electrode interface was significantly improved.The experimental results showed that in single-ion detection，the sensitivity for Cd²⁺ was 15.226 4 μA/（μmol/L） in the range of 0.05~6.00 μmol/L（LOD=5.36 nmol/L），and for Pb²⁺，it was 26.773 6 μA/（μmol/L） in the range of 0.50~6.00 μmol/L（LOD=3.13 nmol/L）.In simultaneous detection of two ions，the sensitivity for Pb²⁺ was increased to 37.008 8 μA/（μmol/L） and LOD was decreased to 2.20 nmol/L，effectively avoiding ion interference.The sensor exhibited excellent repeatability（RSD<2.4% for 10 preparations in detecting Cd²⁺ and Pb²⁺），and achieved high-precision recovery of Cd²⁺（91.00%~104.00%） and Pb²⁺（87.00%~104.33%） in real water samples（mineral and tap water），overcoming the traditional electrode's matrix interference bottleneck.This work provided a new strategy of interface engineering optimization for simultaneous detection of multiple metal ions and holds important application value in environmental monitoring.

Key words: cobalt phosphide（CoP）, phosphorus-nitrogen co-doped porous carbon tube, Cd²⁺ detection, Pb²⁺ detection, electrochemical sensing

中图分类号:

TQ127.11

李慧宇, 杨超, 朱保顺, 张晋, 程志晗, 欧阳全胜. 界面工程构建CoP/磷氮多孔炭实现镉铅同步高灵敏检测研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(10): 119-128.

LI Huiyu, YANG Chao, ZHU Baoshun, ZHANG Jin, CHENG Zhihan, OUYANG Quansheng. Study on interface-engineered CoP/phosphorus-nitrogen porous carbon for simultaneous and highly sensitive detection of Cd²⁺ and Pb²⁺[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2025, 57(10): 119-128.

图/表 11

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参考文献 26

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样品	元素组成/%
样品	w（C）	w（N）	w（S）	w（H）
P-N-C-550	59.19	27.63	0.15	2.29
CoP@P-N-C-550	31.16	11.33	0.19	1.48

电极	重金属离子	沉积时间/s	单离子检测			同步检测
电极	重金属离子	沉积时间/s	线性范围/ （μmol·L^-1）	灵敏度/［μA/ （μmol·L^-1）］	LOD/ （nmol·L^-1）	线性范围/ （μmol·L^-1）	灵敏度/［μA/ （μmol·L^-1）］	LOD/ （nmol·L^-1）
g-C₃N₄/CNT/NH₂-MIL-88（Fe）^［22］	Cd²⁺	200	—	—	—	0.12~6.00	3.66	39.6
	Pb²⁺		—	—	—	0.02~6.00	19.15	7.6
	Cu²⁺		—	—	—	0.04~6.00	12.15	11.9
	Hg²⁺		—	—	—	0.03~6.00	15.10	9.6
Nitrogen-doped hollow carbon spheres^［23］	Pb²⁺	150	0.05~0.7	6.32	15	—	—	—
	Cu²⁺		0.05~1	5.59	17	—	—	—
	Hg²⁺		0.01~0.9	20.58	2.35	—	—	—
S-doped porous Co₃O₄nanosheets^［24］	Hg²⁺	—	0.2~1.4	1 027.46	16	—	—	—
Fe₂O₃@NCNPs-1.5/GCE^［25］	Cd²⁺	150	1.0~4.0	13.12	38.20	0.5~2.5	14.41	18.79
Fe₂O₃@NCNPs-1.5/GCE^［25］	Pb²⁺	150	0.5~3.5	20.62	27.45	0.5~2.5	22.52	4.92
Ag@ZIF-1000/GCE^［26］	Cd²⁺	320	0.3~3	4.757	14.63	0.3~3	3.542	—
Ag@ZIF-1000/GCE^［26］	Pb²⁺	320	0.3~3	8.907	7.28	0.3~3	7.065	—
CoP@P-N-C-550	Cd²⁺	150	0.05~6.00	15.226 4	5.36	0.25~3.00	3.670 9	22.88
CoP@P-N-C-550	Pb²⁺	150	0.50~6.00	26.773 6	3.13	0.25~3.00	37.008 8	2.20

水样	金属离子	添加浓度/（μmol/L）	检测浓度/（μmol/L）	加标回收率/%
矿泉水	Cd²⁺	0.00	0.00
		1.00	0.91	91.00
		2.00	1.99	99.50
		3.00	2.95	98.33
	Pb²⁺	0.00	0.00
		1.00	0.87	87.00
		2.00	1.94	97.00
		3.00	3.07	102.33
自来水	Cd²⁺	0.00	0.00
		1.00	0.96	96.00
		2.00	2.07	103.50
		3.00	3.12	104.00
	Pb²⁺	0.00	0.00
		1.00	1.00	100.00
		2.00	2.07	103.50
		3.00	3.13	104.33

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