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Ultra-Sensitive and Selective Detection of Arsenic(III) via Electroanalysis over Cobalt Single-Atom Catalysts

化学 催化作用 电催化剂 电子转移 选择性 光化学 无机化学 物理化学 电极 电化学 有机化学
作者
Pei‐Hua Li,Meng Yang,Yi‐Xiang Li,Zhenlong Song,Jinhuai Liu,Chin E. Lin,Jie Zeng,Xing‐Jiu Huang
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:92 (8): 6128-6135 被引量:59
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.0c00677
摘要

Achieving highly sensitive and selective detection of trace-level As(III) and clarifying the underlying mechanism is still a intractable problem. The electroanalysis of As(III) relies on the electrocatalytic ability of the sensing interface. Herein, we first adopt single-atom catalysts as the electrocatalyst in As(III) detection. Cobalt single-atoms anchored on nitrogen-doped carbon material (Co SAC) were found to have an extraordinary sensitivity of 11.44 μA ppb-1 with excellent stability and repeatability, which so far is the highest among non-noble metal nanomaterials. Co SAC also exhibited a superior selectivity toward As(III) compared with some bivalent heavy metal ions (HMIs). Combining X-ray absorption spectroscopy (XAFS), density functional theory (DFT) calculation, and reaction kinetics simulation, we demonstrated that Co single atoms stabilized in N2C2 support serve as active sites to catalyze H3AsO3 reduction via the formation of Co-O hybridization bond, leading to a lower energy barrier, promoting the breakage of As-O bonds. Importantly, the first electron transfer is the rate-limiting step of arsenic reduction and is found to be more favorable on Co-SAC both thermodynamically and kinetically. This work not only expands the potential applicaiton of single-atom catalysts in the detection and treatment of As(III), but also provides atomic-level catalytic insights into HMIs sensing interfaces.
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