Sens Actuator B Chem: 层状氮掺杂碳/MXene异质结构的协同构筑及其用于铜离子与汞离子的同步电化学检测

      重金属污染是威胁水环境与食品安全的严峻公共健康隐患。氮掺杂异质界面工程可调控二维材料能带结构、加快界面电子传递，无需昂贵贵金属改性，在重金属离子预富集与电化学传感方向拥有广阔应用前景。将二维/二维异质结构的协同界面效应与方波溶出伏安检测技术耦合具备极高实际应用价值。MXene 基二维材料凭借超大比表面积与优异本征导电性，已广泛应用于重金属电化学分析；在此基础上，氯化胆碱 - 尿素低共熔溶剂衍生氮掺杂碳可引入吡啶氮、季氮等多类含氮活性位点，构筑异质结构后，复合材料能显著增强对铜、汞重金属离子的静电吸附与电催化还原性能。

      韩国东国大学联合仁荷大学团队在Sensors and Actuators B: Chemical报道了一款可同步实现铜、汞离子富集与高灵敏电化学同步检测的层状氮掺杂碳/MXene 异质传感材料。以钛铝碳 MAX 相为前驱体刻蚀制备薄层 MXene 纳米片，原位复合氯化胆碱 - 尿素低共熔溶剂热解生成的富氮碳纳米片，系统研究异质界面与氮掺杂缺陷协同作用下材料对Cu²⁺、Hg²⁺的吸附富集及电化学定量分析性能。该层状氮掺杂碳/MXene 异质材料可快速捕获水体中痕量铜、汞离子，界面活性位点数量充足、重金属预富集能力优异；基于该修饰材料构建的电化学传感器传感性能突出，对Cu²⁺灵敏度可达 114.54 μA・μM^-1・cm^-2，检出限低至 0.0196 μM，对Hg²⁺灵敏度为 64.317 μA・μM^-1・cm^-2、检出限仅 0.056 μM，传感表现显著优于纯 MXene、单一组分氮碳与裸玻碳电极。这种低共熔溶剂辅助构筑的氮掺杂碳/MXene 二维异质复合材料，能够一步完成Cu²⁺、Hg²⁺高效预富集与超灵敏同步电化学定量检测。该复合材料为环境水样、食品基质中痕量铜汞重金属的快速现场监测提供了高性能传感电极备选材料，搭建了基于绿色低共熔溶剂与二维异质结构工程的重金属同步富集 - 同步检测全新方案，为重金属污染水体、食品样品的原位快速筛查与长效风险监测提供了低成本、环境友好的创新研究思路。

• 绿色合成工艺新颖：以氯化胆碱-尿素低共熔溶剂为氮源，低温热解一步制备 2D/2D 层状 N 掺杂碳/MXene 异质结构，绿色无贵金属，可精准调控 6% 氮掺杂量，扩大 MXene 层间距、增加活性位点。

• 异质界面协同提升电化学性能：吡啶氮、季氮、Ti-N多氮活性位点协同 MXene 高导电骨架，电荷转移阻力大幅降低，电子传输速率显著优于单一组分材料。

• 可同步高灵敏检测 Cu²⁺、Hg²⁺：最优测试条件下，Cu²⁺、Hg²⁺检出限低至 0.0196 μM、0.056 μM，灵敏度高、线性区间宽，传感性能优于多数已报道电极。

• 抗干扰、重复性优异：20 倍常见干扰金属离子共存无明显信号影响；电极重复测试、平行电极测试 RSD 均极低，稳定性良好。

• 具备实际样品应用潜力：水体、牛奶加标回收率 92%~101%，检测结果与 ICP 标准方法匹配，可用于环境、食品重金属现场快速监测。

• 通用改性策略：低共熔溶剂介导氮掺杂 MXene 的制备思路可拓展至储能、电催化等多个 MXene 应用领域。

Scheme 1. 层状氮掺杂碳 / MXene 复合材料的完整合成流程及其电化学检测原理

Fig. 1场发射扫描电镜图：(a) 氮掺杂碳、(b) 纯 MXene、(c) 层状氮掺杂碳 / MXene 复合材料；透射电镜图：(d) 氮掺杂碳、(e) 纯 MXene、(f–h) 层状氮掺杂碳 / MXene 复合材料；(i) 层状氮掺杂碳 / MXene 复合材料元素面分布图

Fig. 2氮掺杂碳、层状氮掺杂碳 / MXene 复合材料、纯 MXene 的 (a) 傅里叶变换红外光谱、(b) X 射线衍射谱图、(c) 拉曼光谱

Fig. 3 X 射线光电子能谱：(a) 氮掺杂碳、纯 MXene、层状氮掺杂碳 / MXene 的 C 1s 分谱；(b) 氮掺杂碳、层状氮掺杂碳 / MXene 的 N 1s 分谱；(c) 纯 MXene、层状氮掺杂碳 / MXene 的 Ti 2p 分谱

Fig. 4(a) 层状氮掺杂碳 / MXene、纯 MXene、裸玻碳电极、氮掺杂碳在含 5 mM 铁氰化钾 / 亚铁氰化钾的 0.1 M 氯化钾溶液中的循环伏安曲线；(b) 上述四种电极在相同电解液中的电化学阻抗谱；(c) 不同修饰电极在含 10 μM Cu²⁺、Hg²⁺的 0.1 M 醋酸缓冲液（pH=4.5）中的方波溶出伏安曲线；(d) 层状氮掺杂碳 / MXene 电极在不同支持电解液、含 10 μM Cu²⁺与 Hg²⁺体系中的方波伏安曲线；(e) 0.1 M 醋酸缓冲液不同 pH 对 10 μM Cu²⁺、Hg²⁺检测信号的影响；(f) 不同热处理温度制备的层状氮掺杂碳 / MXene 检测 10 μM Cu²⁺、Hg²⁺的方波伏安曲线；(h、i、j) 电沉积条件对检测性能的影响：(h) 沉积电位、(i) 沉积时间、(j) 玻碳电极表面复合材料滴涂用量，检测体系为 pH 4.5、含 10 μM Cu²⁺与 Hg²⁺的 0.1 M 醋酸缓冲液

Fig.5 层状氮掺杂碳 / MXene 电极的方波伏安响应：(a) 单一 Cu²⁺浓度 0.5~20 μM；(b) 单一 Hg²⁺浓度 1~15 μM；(c) pH=4.5 的 0.1 M 醋酸缓冲液中不同浓度 Cu²⁺、Hg²⁺同步检测结果，内嵌小图为对应标准校准曲线；(d) 多种常见金属离子共存下的抗干扰性能测试

Table 1.二维 / 二维氮掺杂 MXene 电极与已有文献报道电极的传感性能对比

Table 2.层状氮掺杂碳 / MXene 电极对实际样品中 Cu²⁺、Hg²⁺的加标回收率测试结果

     本研究构建了一种全新层状氮掺杂碳/MXene 复合材料，并将其应用于重金属铜离子（Cu²⁺）与汞离子（Hg²⁺）的电化学传感检测。氯化胆碱提供的季氮与尿素衍生氮元素共同掺杂进入 MXene 骨架，协同提升了材料对Cu²⁺、Hg²⁺同步定量检测的性能。该独特复合结构可提供大量活性表面位点，实现零价铜、零价汞的有效富集，提升金属离子检测灵敏度，同时能够在更低电位下完成高效检测。多种常见阳离子共存条件下，层状氮掺杂碳/MXene 复合材料表现出优异选择性，证明其适用于环境、食品样品中重金属污染的现场快速监测。该材料对Cu²⁺、Hg²⁺的检测限分别低至 0.0196 μM、0.056 μM，证明层状氮掺杂碳 / MXene 复合材料可实现两种重金属离子的精准痕量检测。总体而言，本工作为面向环境与食品安全应用的高性能传感新材料开发提供了可靠的设计思路与制备策略。

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