二維納米材料：傳感檢測與環(huán)境監(jiān)測
自從2004年Geim和Novoselov因石墨烯的發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎，石墨烯、類石墨烯二維納米材料廣受關(guān)注。這類新興的材料具有諸多優(yōu)良的理化性質(zhì)，在環(huán)境、能源等領(lǐng)域大放異彩。與之相關(guān)的科學(xué)研究論文或文獻(xiàn)被大量報(bào)道，然而介紹二維納米材料在環(huán)境分析領(lǐng)域的著作鳳毛麟角，特別是中文著作。本書共分10章；第1章主要介紹環(huán)境污染物分析的必要性、傳統(tǒng)的檢測方法、新興的傳感檢測法、及其各自的優(yōu)缺點(diǎn)；第2章主要介紹二維納米材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，這些性質(zhì)決定了二維納米材料在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。第3章主要介紹二維納米材料的制備和表征方法，制備方法會直接影響二維納米材料的理化性質(zhì)；表征方法主要集中二維納米材料的厚度，因?yàn)槎S納米材料的電子結(jié)構(gòu)依賴于厚度。第4章主要介紹二維納米材料基傳感分析法及其性能的評估方法。第5章主要介紹二維納米材料基電化學(xué)傳感分析法。第6章主要介紹二維納米材料基熒光傳感分析法。第7章主要介紹二維納米材料基比色傳感分析法。第8章主要介紹二維納米材料基光電傳感分析法。第9章主要介紹二維納米材料基電化學(xué)發(fā)光傳感分析法。第10章主要介紹二維納米材料基場發(fā)射晶體管傳感分析法。上述六種傳感分析法所分析的環(huán)境污染物主要集中在重金屬離子、抗生素、致病菌、無機(jī)鹽、氣態(tài)的氮氧化物、氧化活性物質(zhì)、易揮發(fā)的有機(jī)物質(zhì)（VOCs）等。
自從2004年Geim和Novoselov因石墨烯的發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎后，石墨烯、類石墨烯二維納米材料廣受人們關(guān)注。這類新興的材料具有諸多優(yōu)良的理化性質(zhì)，在環(huán)境、能源等領(lǐng)域大放異彩。與之相關(guān)的科學(xué)研究論文或文獻(xiàn)被大量報(bào)道，然而介紹二維納米材料在環(huán)境分析領(lǐng)域應(yīng)用的著作屈指可數(shù)，特別是中文著作。筆者的研究工作主要關(guān)于二維納米材料制備、表征、功能化及其在環(huán)境分析領(lǐng)域的應(yīng)用。根據(jù)筆者愚見，有必要將二維納米材料最新的發(fā)展動態(tài)及其在環(huán)境分析領(lǐng)域的研究成果整理成書，與讀者共享。
本書共分10章。第1章主要介紹水體和大氣中的污染物和危害、環(huán)境污染物的分析方法以及二維納米材料在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。新興的傳感檢測法及其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。第2章主要介紹二維納米材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，這些性質(zhì)決定了二維納米材料在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。第3章主要介紹二維納米材料的制備和表征方法，制備方法會直接影響二維納米材料的理化性質(zhì)；表征方法主要集中在檢測二維納米材料的厚度，因?yàn)槎S納米材料的電子結(jié)構(gòu)依賴于厚度。第4章主要介紹基于二維納米材料的環(huán)境污染物傳感分析法。第5章主要介紹環(huán)境污染物的電化學(xué)傳感分析法。第6章主要介紹環(huán)境污染物的熒光傳感分析法。第7章主要介紹環(huán)境污染物的比色傳感分析法。第8章主要介紹環(huán)境污染物的光電傳感分析法。第9章主要介紹環(huán)境污染物的電化學(xué)發(fā)光傳感分析法。第10章主要介紹環(huán)境污染物的場發(fā)射晶體管傳感分析法。上述六種傳感分析法所分析的環(huán)境污染物主要集中在重金屬離子、抗生素、致病菌、無機(jī)鹽、氣態(tài)的氮氧化物、氧化活性物質(zhì)、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等。
本書可作為環(huán)境工程及其相關(guān)專業(yè)的教學(xué)用書或者環(huán)境分析化學(xué)領(lǐng)域的科研參考書，本書收錄了大量最新的研究進(jìn)展，包括筆者和其他研究人員最新的研究工作，具有一定的參考價值。相信本書的出版有利于促進(jìn)二維納米材料及其環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的發(fā)展。
本書的順利完成要特別感謝國家自然科學(xué)基金（52000059）、南京市留學(xué)人員創(chuàng)新?lián)駜?yōu)資助項(xiàng)目（B2004803）和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2019B02414和2019B44214）資助。此外，本書的出版得到了大連理工大學(xué)工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助（No. KLIEEE-18-02）和河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持，在此一并表示感謝。
筆者學(xué)識有限，書中難免有不足之處，敬請讀者專家批評指正。
甘小榮
于河海大學(xué)
2020年5月
第1章概述 001
1.1水體中的污染物和危害 003
1.1.1環(huán)境有機(jī)污染物 003
1.1.2重金屬污染物 004
1.1.3微生物污染物 005
1.2大氣中的污染物和危害 005
1.3環(huán)境污染物的分析方法 006
1.3.1傳統(tǒng)的分析方法 007
1.3.2傳感分析方法 008
1.4二維納米材料在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用 010
1.4.1二維納米材料的發(fā)展趨勢 013
1.4.2二維納米材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系 014
1.4.3二維納米材料在環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用優(yōu)勢 016
1.5總結(jié)和展望 016
參考文獻(xiàn) 017
第2章二維納米材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 019
2.1引言 019
2.2二維納米材料的結(jié)構(gòu) 021
2.2.1石墨烯族 021
2.2.2過渡金屬硫?qū)倩? 024
2.2.3金屬氫氧化物 025
2.2.4金屬有機(jī)框架化合物 026
2.2.5第四主族元素 026
2.2.6MXenes 027
2.2.7金屬單質(zhì) 028
2.3二維納米材料的性質(zhì) 028
2.3.1力學(xué)性能 029
2.3.2表面化學(xué)性質(zhì) 030
2.3.3生物兼容性 032
2.3.4電學(xué)性質(zhì) 033
2.3.5光學(xué)性質(zhì) 035
2.4總結(jié)和展望 036
參考文獻(xiàn) 037
第3章二維納米材料的制備和表征方法 040
3.1引言 040
3.2二維納米材料的制備方法 040
3.2.1自上而下法 042
3.2.2自下而上法 047
3.3二維納米材料的表征方法 049
3.3.1X射線衍射光譜 049
3.3.2拉曼光譜 050
3.3.3紫外可見吸收光譜 051
3.3.4能譜分析 052
3.4總結(jié)和展望 053
參考文獻(xiàn) 054
第4章基于二維納米材料的環(huán)境污染物傳感分析法 056
4.1引言 056
4.2環(huán)境污染物傳感分析法的原理和分類 057
4.2.1電化學(xué)傳感分析法 058
4.2.2熒光傳感分析法 058
4.2.3光電傳感分析法 059
4.2.4電化學(xué)發(fā)光傳感分析法 060
4.2.5比色傳感分析法 060
4.2.6場效應(yīng)晶體管傳感分析法 061
4.3環(huán)境污染物傳感分析法的性能評估 061
4.3.1選擇性 062
4.3.2靈敏度和檢出限 062
4.3.3穩(wěn)定性和重現(xiàn)性 063
4.3.4線性范圍 063
4.3.5實(shí)用性 063
4.4環(huán)境污染物傳感分析法的設(shè)計(jì)策略 064
4.4.1原子水平修飾 064
4.4.2分子水平修飾 066
4.4.3混合維度的納米復(fù)合材料 069
4.5總結(jié)和展望 071
參考文獻(xiàn) 071
第5章環(huán)境污染物的電化學(xué)傳感分析法 073
5.1引言 073
5.2電極反應(yīng)的一般過程 076
5.2.1電極/溶液界面的質(zhì)量傳遞 077
5.2.2電極/溶液界面的電荷傳遞 078
5.2.3電極材料的電化學(xué)性質(zhì)表征 078
5.3二維TMDC基電化學(xué)傳感器 082
5.3.1水體中重金屬離子的檢測 083
5.3.2水體中有機(jī)物的檢測 094
5.3.3水體中細(xì)菌的檢測 095
5.4石墨烯族基電化學(xué)傳感器 096
5.4.1水體中重金屬離子的檢測 097
5.4.2水體中有機(jī)物的檢測 098
5.4.3水體中微生物的檢測 101
5.5MXene基電化學(xué)傳感器 102
5.5.1水體中亞硝酸鹽的檢測 103
5.5.2水體中有機(jī)物的檢測 103
5.5.3水體中重金屬離子的檢測 104
5.6總結(jié)和展望 105
參考文獻(xiàn) 106
第6章環(huán)境污染物的熒光傳感分析法 111
6.1引言 111
6.2石墨烯族基熒光傳感器 113
6.2.1水體中重金屬離子的檢測 114
6.2.2水體中抗生素的檢測 115
6.2.3水體中有機(jī)農(nóng)藥的檢測 117
6.2.4水體中藥物的檢測 118
6.2.5水體中細(xì)菌的檢測 119
6.3二維TMDC基熒光傳感器 120
6.3.1水體中重金屬離子的檢測 120
6.3.2水體中有機(jī)物的檢測 122
6.3.3水體中細(xì)菌的檢測 122
6.4二維過渡金屬氧化物基熒光傳感器 123
6.4.1水體中有機(jī)物的檢測 124
6.4.2水體中氧活性物質(zhì)的檢測 125
6.5二維MOF基熒光傳感器 126
6.5.1水體中重金屬離子的檢測 126
6.5.2空氣中VOCs的檢測 127
6.5.3水體中抗生素的檢測 128
6.6總結(jié)和展望 129
參考文獻(xiàn) 129
第7章環(huán)境污染物的比色傳感分析法 133
7.1引言 133
7.2石墨烯族基比色傳感器 136
7.2.1水體中重金屬離子的檢測 136
7.2.2水體中有機(jī)物的檢測 137
7.2.3水體中氧活性物質(zhì)的檢測 138
7.3二維TMDC基比色傳感器 139
7.3.1水體中有機(jī)物的檢測 140
7.3.2水體中氧活性物質(zhì)的檢測 141
7.4二維過渡金屬氧化物基比色傳感器 143
7.4.1水體中有機(jī)物的檢測 143
7.4.2水體中致病菌的檢測 144
7.5二維MOF基比色傳感器 144
7.5.1水體中有機(jī)物的檢測 145
7.5.2水體中氧活性物質(zhì)的檢測 145
7.6二維金屬基比色傳感器 148
7.6.1水體中有機(jī)物的檢測 149
7.6.2水體中氧活性物質(zhì)的檢測 150
7.7總結(jié)和展望 151
參考文獻(xiàn) 152
第8章環(huán)境污染物的光電傳感分析法 156
8.1引言 156
8.2石墨烯族基光電傳感檢測器 161
8.2.1水體中重金屬離子的檢測 161
8.2.2水體中有機(jī)物的檢測 164
8.2.3水體中微生物的檢測 168
8.2.4水體中無機(jī)非金屬離子的檢測 169
8.3二維TMDC基光電傳感檢測器 170
8.3.1水體中有機(jī)物的檢測 170
8.3.2水體中致病菌的檢測 172
8.4二維過渡金屬氧化物基光電傳感器 172
8.4.1水體中重金屬離子的檢測 173
8.4.2水體中有機(jī)物的檢測 173
8.5MXene基光電傳感檢測器 175
8.5.1水體中重金屬離子的檢測 175
8.5.2水體中有機(jī)物的檢測 176
8.6總結(jié)和展望 177
參考文獻(xiàn) 177
第9章環(huán)境污染物的電化學(xué)發(fā)光傳感分析法 180
9.1引言 180
9.2石墨烯族基電化學(xué)發(fā)光傳感器 184
9.2.1水體中重金屬離子的檢測 184
9.2.2水體中有機(jī)物的檢測 186
9.2.3水體中致病菌的檢測 188
9.2.4水體中氧活性物質(zhì)的檢測 189
9.3MXene基電化學(xué)發(fā)光傳感器 190
9.4二維MOF基電化學(xué)發(fā)光傳感器 191
9.5磷烯基電化學(xué)發(fā)光傳感器 192
9.6二維TMDC基電化學(xué)發(fā)光傳感器 193
9.6.1水體中過氧化物的檢測 194
9.6.2水體中有機(jī)物的檢測 196
9.7總結(jié)和展望 196
參考文獻(xiàn) 196
第10章環(huán)境污染物的場發(fā)射晶體管傳感分析法 199
10.1引言 199
10.2石墨烯族基場發(fā)射晶體管傳感器 204
10.2.1水體中重金屬離子的檢測 205
10.2.2水體pH檢測 206
10.2.3水體中細(xì)菌的檢測 207
10.3二維TMDC基場發(fā)射晶體管傳感器 209
10.3.1水體中重金屬離子的傳感檢測 211
10.3.2空氣中氮氧化物的傳感檢測 212
10.3.3空氣中VOCs的傳感檢測 214
10.4總結(jié)和展望 216
參考文獻(xiàn) 216
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