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本研究通过低成本搅拌法制备Ce-BTC/gCN复合材料，证实其兼具高灵敏度（0.541 μA/μM·cm2）电化学传感和高效光催化降解（99.2% MB）性能，为多功能材料开发提供新途径。
P Mary Rajaitha | Runia Jana | Hoe Joon Kim
韩国大邱庆北科学技术院机器人与机电工程系，大邱-42988
摘要
基于铈的金属有机框架（Ce-MOFs）因其稳定的氧化还原行为、结构可调性和环境兼容性而受到越来越多的关注，使其成为多功能应用的有希望的候选材料。本研究重点介绍了通过一种成本效益高的制备方法合成的Ce-苯三羧酸（Ce-BTC）/石墨碳氮化物（gCN）复合材料的合成、表征及其双重功能特性。含有3%、5%和7%（按重量计）gCN的复合材料表现出较大的活性表面积、可变的铈价态以及改善的电子迁移率。这项工作的独特之处在于展示了一个能够同时应对生物医学和环境挑战的单一平台——Ce-BTC/gCN。电化学研究表明，经过CB3G改性的玻璃碳电极能够灵敏且选择性地检测多巴胺，其氧化还原响应的提高归因于表面活性和导电性的增强。同时，光催化实验表明，CB3G在可见光下对亚甲蓝染料的降解效率达到了约99%，优于其他组合。这种综合方法突显了Ce-MOF/gCN复合材料作为电化学传感和光催化多功能工具的潜力。这些发现强调了基于MOF的杂化材料在开发可持续、多功能材料以应用于实际分析和环境问题方面的广泛适用性。
引言
与块状材料相比，纳米材料表现出不同的、有时甚至是显著改善的化学和物理性能[1]、[2]。许多近期研究探讨了结构、形态和尺寸对材料物理和化学性质的影响。一维纳米结构（如纳米棒和纳米线）因其对材料物理化学性质的影响而受到广泛研究。将这些纳米结构组装成有序的超结构可以增加结构的复杂性和功能性[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。
铈，特别是以CeO2的形式，作为一种极具潜力的烟尘氧化催化剂而脱颖而出。CeO2在涉及Ce4+和Ce3+的氧化还原循环中具有显著的储氧能力，表现出高催化活性。特别是具有多孔、中空结构以及较多氧空位的CeO2纳米棒（CeONB），在连续循环中表现出优异的可回收性和高催化活性[9]。基于CeONB的适应性，其与金属有机框架（MOFs）的结合正在进一步研究中。Tsai等人开发了一种在室温下自组装形成的Ce(1,3,5-苯三羧酸)3(H2O)6纳米棒的超结构，简称CeBTC。随后在150°C下对CeBTC复合材料进行活化，提高了其吸附性能，使其成为用于铀提取的有效吸附材料[10]。
CeBTCs因具有微孔性、铈的氧化还原状态（Ce3?/Ce??）以及可访问的低能量4f轨道而受到特别关注，这些特性赋予了它们卓越的催化和发光性能[11]。铈(III)盐的丰富性和低成本使其成为可扩展应用的理想候选材料，尤其是在基于Ce(III)的BTC框架领域[12]。使用最简单的三角连接剂1,3,5-苯三羧酸（H3BTC）合成多种Ln(III)-BTCs进一步突显了铈在该领域的潜力[13]。
gCN是一种二维n型半导体，具有高导电性和高化学及热稳定性等独特性质[14]、[15]。由于材料的这些特性和结构排列，已对其在多个领域的应用进行了大量研究。gCN具有蜂窝状结构，其中原子通过强共价键和层内的弱范德华力连接在一起。它们的带隙约为2.7电子伏特[16]。这些特性使它们成为电化学和光催化应用的理想候选材料。在本研究中，将gCN与Ce-BTC结合使用，以提高其电化学和光催化性能，因为gCN的性能受到表面污染、化学惰性和高复合率的限制[17]。
电化学传感可以通过利用多巴胺在修饰电极上的氧化还原反应有效检测人体内的多巴胺水平[18]。MOFs因其独特的性质（如高表面积、可调孔径和多样的拓扑结构）而被视为电化学传感的高效材料。在合成过程中将其与各种金属结合使用，可以增强它们与不同目标分子的相互作用。MOFs表现出快速的质量转移、高效的分析物浓缩和对目标分子的高选择性，从而共同提高了响应灵敏度和选择性[19]、[20]。多巴胺是人体中的重要神经递质，参与心血管、神经系统、内分泌系统和肾脏系统的功能[21]。它还在注意力集中、学习能力、记忆功能、运动控制、情绪调节和认知过程中发挥重要作用[22]。维持人体内的正常多巴胺水平非常重要，因为任何偏离这一范围都可能导致各种疾病，如抑郁症、精神分裂症、高血压和心脏骤停[23]、[24]。
光催化是利用太阳能降解污染物的过程。传统的光催化剂（如二氧化钛和氧化锌）面临吸收光弱和电子-空穴复合等挑战。近期研究表明，由于其可设计的结构和组成，MOFs成为有前景的替代品，为解决传统光催化剂的局限性提供了潜在解决方案[25]。MOFs作为有效的光敏催化剂，能够降解有机染料，利用其高表面积和光吸收能力。有机污染物（如亚甲蓝）通过紫外-可见吸收光谱法进行检测和监测。
在本研究中，通过简单的沉淀工艺制备了Ce-BTC纳米结构。然后通过水热法用gCN纳米颗粒对制备的Ce-BTC进行修饰，并对其电化学和光催化活性进行了研究。
gCN的合成
使用水热法从前体1,3,5-三氯三嗪、双氰胺和乙腈（均由Thermofisher Scientific提供且无需进一步纯化）制备了gCN（图1a）。起始溶液通过将10毫米摩尔1,3,5-三氯三嗪和7.5毫米摩尔双氰胺混合在60毫升乙腈中并搅拌12小时来制备。将制备好的溶液装入高压釜中，在160°C下加热60小时。所得材料通过...（此处原文信息缺失）进行分离。
制备材料的表征
通过粉末X射线衍射（XRD）检查样品的化学成分和晶体结构，合成的CB straw sheaves的XRD谱图显示在图2a中。清晰的窄峰表明样品具有优异的晶体结构，与JCPDS Card-290771标准非常吻合。在10.04°、13.18°、17.19°、24.62°和28.00°处的特征衍射峰表明了出色的结晶度。
结论
在这项研究中，合成了一种Ce-BTC/g-CN杂化材料，并对其实际应用进行了表征和研究。CB3G表现出高电化学和光催化活性。CB3G改性的电极显示出0.541微安/微摩尔厘米2的高灵敏度。它对MB染料的降解活性达到了99.2%，并且在4次可重复循环中保持了约85%的活性。CB3G电化学和光催化性能的提高归因于...
CRediT作者贡献声明
Rajaitha Peter Mary：撰写原始草稿、进行研究、进行正式分析、数据管理、概念化。Runia Jana：撰写原始草稿、进行研究、进行正式分析、数据管理、概念化。Hoe Joon Kim：撰写修订稿、进行编辑、提供监督、争取资金支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，该基金会由科学技术信息通信部（MSIT）（项目编号RS-2024-00346135、RS-2024-00406674）和韩国教育部（项目编号RS-2025-25420118）资助。
利益冲突
所有作者均无需要披露的利益冲突。
