2D六方氮化硼(2D-hBN)作為電化學(xué)傳感平臺(tái)基礎(chǔ)的最新進(jìn)展

二維六方氮化硼(2D-hBN)是一種在電化學(xué)中比其他二維同類(lèi)材料應(yīng)用較少的材料，因?yàn)樽畛醯膱?bào)道表明它不導(dǎo)電。正如我們將在這篇綜述中展示的，這種常見(jiàn)的誤解正在受到挑戰(zhàn)，研究人員開(kāi)始在電化學(xué)領(lǐng)域利用2D-hBN，特別是作為電分析傳感平臺(tái)的基礎(chǔ)。在這篇重要的綜述中，我們概述了2D-hBN作為電分析傳感平臺(tái)的使用，總結(jié)了最近的發(fā)展和趨勢(shì)，并強(qiáng)調(diào)了這種有趣的、經(jīng)常被忽視的2D材料的未來(lái)發(fā)展。


圖1.近20年來(lái)“石墨烯”、“2D材料”和“氮化硼”的發(fā)表數(shù)量和相關(guān)領(lǐng)域。

電分析中的2D六方氮化硼
2D六方氮化硼(2D-hBN)是石墨的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物，在包含環(huán)硼氮烷(B3N3H6)環(huán)的層狀蜂窩結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)B–N鍵的sp2雜化。氮化硼(BN)是化學(xué)穩(wěn)定的，具有四種眾所周知的多晶型:纖鋅礦、菱面體、立方晶和六方晶。圖2 概述了各種六方氮化硼結(jié)構(gòu)，突出了納米片的平面內(nèi)和平面間尺寸以及邊緣。納米帶可以是之字形(B邊或N邊)或扶手椅形(BN對(duì)邊),通常由幾百納米到幾十微米的橫向尺寸組成，這取決于所采用的各種制造方法。2D-hBN層也可以在0.333nm的距離處通過(guò)范德華力相互堆疊形成幾層或多層。其他常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式有納米管、富勒烯和量子點(diǎn)。 


通常，2D材料是通過(guò)兩種途徑之一制造的:自下而上(BU)或自上而下(TD)方法。TD方法從大塊材料開(kāi)始，將其轉(zhuǎn)化為單層。另一方面，自下而上(BU)方法從前體合成原始/單層。BU制造方法給出了更大的最終產(chǎn)品產(chǎn)量，但是確實(shí)表現(xiàn)出更大的污染(這可能會(huì)影響材料本身的電化學(xué)性質(zhì))、納米片的缺陷和較低的質(zhì)量；相反，TD產(chǎn)生原始材料，但數(shù)量較少。在六方氮化硼的情況下，液相、超聲波輔助、微波輔助、化學(xué)輔助和機(jī)械化學(xué)剝離方法是文獻(xiàn)中最常用的方法。關(guān)于BU方法，最常見(jiàn)的是化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(濺射)。圖3包括剝離(a)、化學(xué)氣相沉積(b)和濺射(c)氮化硼的制造方法。


根據(jù)文獻(xiàn)記載，2D-hBN具有大約1000μm的寬帶隙.5.6 eV;因此，它通常被報(bào)道為電絕緣體。理論模擬已被用于描述2D-hBN的合成、表征和底物的多種組合的物理和化學(xué)性質(zhì)。Uosaki等人首次報(bào)道了在金(單晶)電極上使用2D-hBN作為重要電化學(xué)反應(yīng)的電催化劑，氧還原反應(yīng)(ORR)只可能在金電極上進(jìn)行，而在玻碳電極上沒(méi)有觀察到電催化作用。雖然發(fā)現(xiàn)ORR產(chǎn)生過(guò)氧化氫，而不是所需的水產(chǎn)物，這項(xiàng)工作在證明2D-hBN-底物相互作用的重要性以及2D-hBN可用于電化學(xué)方面具有開(kāi)創(chuàng)性意義；繼上述開(kāi)創(chuàng)性工作之后，Khan等人首次報(bào)道了利用2D-hBN作為電化學(xué)傳感平臺(tái)的基礎(chǔ)，使用了通過(guò)將2D-hBN滴鑄到絲網(wǎng)印刷的石墨宏電極(SPEs)上來(lái)同時(shí)電化學(xué)傳感多巴胺和尿酸測(cè)定的例子。發(fā)現(xiàn)電化學(xué)響應(yīng)高度依賴于2D-hBN和下面的支撐電極材料和沉積材料的量的相互作用，與(裸露的)相比給出電催化響應(yīng)。使用優(yōu)化的條件，發(fā)現(xiàn)在競(jìng)爭(zhēng)性電分析輸出中，多巴胺和尿酸之間合適的峰分離度是可能的。這份手稿首次報(bào)道了新型納米材料2D-hBN是一種有益的電催化材料，這種材料可能被認(rèn)為是最初不可能的候選材料。這一工作已由李等人進(jìn)行了擴(kuò)展，使用玻璃碳電極(GCE)上的片狀2D-hBN同時(shí)檢測(cè)維生素C、多巴胺和尿酸，該電極具有高密度的缺陷和活性表面基團(tuán)，導(dǎo)致寬的線性范圍和低的檢測(cè)限，并且還表現(xiàn)出抗干擾能力。

Shen等人利用缺陷增強(qiáng)的h-BN(稱(chēng)為(D-h-BN ))作為檢測(cè)4-氨基苯酚(4-AP)和苯酚(Ph)的傳感平臺(tái)和鉛。他們報(bào)道了通過(guò)單一前體煅燒過(guò)程合成有缺陷的h-BN。如圖4所示，有缺陷的h-BN顯示出在2D- hBN的典型層狀結(jié)構(gòu)的基面內(nèi)存在孔隙。據(jù)報(bào)道，這些缺陷/空穴具有化學(xué)活性，并通過(guò)帶隙中與缺陷相關(guān)的亞能級(jí)提供電化學(xué)活性位點(diǎn)。在這兩種情況下，改進(jìn)的電化學(xué)響應(yīng)與裸GCE相比，D-h- BN顯示出優(yōu)異的電分析信號(hào)，作者認(rèn)為這是由于該材料表現(xiàn)出快速電子轉(zhuǎn)移、大的電化學(xué)活性表面積和豐富的電活性位點(diǎn)，這是由D-h-BN結(jié)構(gòu)的缺陷性質(zhì)引起的。作者成功地測(cè)定了自來(lái)水和湖水樣品中的4-AP和Ph值。 

圖4.缺陷增強(qiáng)h-BN (d-h-BN) (a)的TEM圖像，同時(shí)校準(zhǔn)圖(DPV)的4-AP和Ph，使用d-h- BN/GCE (b)和d-h- BN/GCE的電化學(xué)阻抗譜(c)。

Luo等人報(bào)道了六方氮化硼(h-BN)晶須的有效制備。利用硼酸(H3BO3)和三聚氰胺(C3H6N6)作為原料，通過(guò)聚合前體方法合成h-BN晶須，前體在管式爐中在流動(dòng)的氮/氫(5%氫)氣氛中緩慢加熱到高溫(1073-1273K)。制造的h-BN晶須如圖5所示，直徑為0.5-3微米，長(zhǎng)度為200-500毫米。作者試圖通過(guò)探索亞硝酸根的電化學(xué)傳感來(lái)證明h-BN晶須的有效性。圖5顯示了h-BN晶須(結(jié)晶不良和高度結(jié)晶)的循環(huán)伏安曲線，并與裸Ti電極的循環(huán)伏安曲線進(jìn)行了比較。電極的選擇給人的印象是h-BN晶須產(chǎn)生了突出的電化學(xué)特征，甚至是電催化的，有人可能會(huì)這樣認(rèn)為。也就是說(shuō)，使用一系列碳電極可以容易地電化學(xué)氧化亞硝酸鹽。


圖5.氮化硼晶須的掃描電鏡和透射電鏡照片。a低倍掃描電鏡照片；b、c高倍SEM圖像。d透射電鏡圖像。e HRTEM東部。f SAED模式。循環(huán)伏安法結(jié)晶不良的BN晶須電極的曲線(g)(紅線)，高度結(jié)晶的BN晶須電極(黑線)和裸鈦電極(藍(lán)色)對(duì)亞硝酸鹽的電化學(xué)氧化(0.1摩爾L1磷酸鹽緩沖液中的1.0摩爾L1亞硝酸鹽)。

結(jié)論
在這篇綜述中，我們證明了以前被忽視的2D-hBN正被有益地用作電分析傳感平臺(tái)的基礎(chǔ)。定制的富缺陷氮化硼微結(jié)構(gòu)作為電分析傳感器制造的活性材料具有很大的潛力，而不是它們作為電極基底的常規(guī)用途(即單層2D- hBN)。雖然2D-hBN的電催化行為仍然是相對(duì)未探索的領(lǐng)域，但通過(guò)仔細(xì)地將缺陷引入氮化硼納米片，研究人員正在揭示其對(duì)各種分析物的新型傳感應(yīng)用?；谀壳暗奈墨I(xiàn)報(bào)告，我們提供了在未來(lái)工作中利用2D-hBN和相關(guān)結(jié)構(gòu)可能探索/報(bào)告的領(lǐng)域的總結(jié):(1)探索橫向尺寸、La和Lc以及缺陷(在邊緣和整個(gè)基底表面),并理解這些參數(shù)如何影響電化學(xué)/電分析響應(yīng)，并且可以定制和利用這些參數(shù)來(lái)優(yōu)化電化學(xué)輸出；(2)探索底層/支撐電極的作用；(3)進(jìn)行并報(bào)告覆蓋范圍研究，以便可以實(shí)現(xiàn)電化學(xué)/電分析響應(yīng)的優(yōu)化，并且還注意到可以觀察到可能被誤認(rèn)為“電催化”的薄層響應(yīng)；(4)探索混合在一起形成納米復(fù)合材料的各種材料的協(xié)同作用——這是電化學(xué)響應(yīng)的來(lái)源/主導(dǎo)因素，并理解組成納米復(fù)合材料的每種材料的各種比例如何產(chǎn)生最佳的電分析輸出。隨著2D -hBN電化學(xué)地區(qū)研究的發(fā)展，可能需要探索/解開(kāi)更多的參數(shù)，但很明顯，這是一個(gè)新興和令人興奮的領(lǐng)域，利用了有趣的和以前被忽視的2D納米材料。