二维纳米材料：传感检测与环境监测

自从2004年Geim和Novoselov因石墨烯的发现获得诺贝尔物理学奖，石墨烯、类石墨烯二维纳米材料广受关注。这类新兴的材料具有诸多优良的理化性质，在环境、能源等领域大放异彩。与之相关的科学研究论文或文献被大量报道，然而介绍二维纳米材料在环境分析领域的著作凤毛麟角，特别是中文著作。本书共分10章；第1章主要介绍环境污染物分析的必要性、传统的检测方法、新兴的传感检测法、及其各自的优缺点；第2章主要介绍二维纳米材料结构与性质，这些性质决定了二维纳米材料在传感领域的应用。第3章主要介绍二维纳米材料的制备和表征方法，制备方法会直接影响二维纳米材料的理化性质；表征方法主要集中二维纳米材料的厚度，因为二维纳米材料的电子结构依赖于厚度。第4章主要介绍二维纳米材料基传感分析法及其性能的评估方法。第5章主要介绍二维纳米材料基电化学传感分析法。第6章主要介绍二维纳米材料基荧光传感分析法。第7章主要介绍二维纳米材料基比色传感分析法。第8章主要介绍二维纳米材料基光电传感分析法。第9章主要介绍二维纳米材料基电化学发光传感分析法。第10章主要介绍二维纳米材料基场发射晶体管传感分析法。上述六种传感分析法所分析的环境污染物主要集中在重金属离子、抗生素、致病菌、无机盐、气态的氮氧化物、氧化活性物质、易挥发的有机物质（VOCs）等。

自从2004年Geim和Novoselov因石墨烯的发现获得诺贝尔物理学奖后，石墨烯、类石墨烯二维纳米材料广受人们关注。这类新兴的材料具有诸多优良的理化性质，在环境、能源等领域大放异彩。与之相关的科学研究论文或文献被大量报道，然而介绍二维纳米材料在环境分析领域应用的著作屈指可数，特别是中文著作。笔者的研究工作主要关于二维纳米材料制备、表征、功能化及其在环境分析领域的应用。根据笔者愚见，有必要将二维纳米材料最新的发展动态及其在环境分析领域的研究成果整理成书，与读者共享。
本书共分10章。第1章主要介绍水体和大气中的污染物和危害、环境污染物的分析方法以及二维纳米材料在环境监测领域的应用。新兴的传感检测法及其各自的优缺点。第2章主要介绍二维纳米材料的结构与性质，这些性质决定了二维纳米材料在传感领域的应用。第3章主要介绍二维纳米材料的制备和表征方法，制备方法会直接影响二维纳米材料的理化性质；表征方法主要集中在检测二维纳米材料的厚度，因为二维纳米材料的电子结构依赖于厚度。第4章主要介绍基于二维纳米材料的环境污染物传感分析法。第5章主要介绍环境污染物的电化学传感分析法。第6章主要介绍环境污染物的荧光传感分析法。第7章主要介绍环境污染物的比色传感分析法。第8章主要介绍环境污染物的光电传感分析法。第9章主要介绍环境污染物的电化学发光传感分析法。第10章主要介绍环境污染物的场发射晶体管传感分析法。上述六种传感分析法所分析的环境污染物主要集中在重金属离子、抗生素、致病菌、无机盐、气态的氮氧化物、氧化活性物质、挥发性有机物（VOCs）等。
本书可作为环境工程及其相关专业的教学用书或者环境分析化学领域的科研参考书，本书收录了大量最新的研究进展，包括笔者和其他研究人员最新的研究工作，具有一定的参考价值。相信本书的出版有利于促进二维纳米材料及其环境监测应用的发展。
本书的顺利完成要特别感谢国家自然科学基金（52000059）、南京市留学人员创新择优资助项目（B2004803）和中央高校基本科研业务费专项资金（2019B02414和2019B44214）资助。此外，本书的出版得到了大连理工大学工业生态与环境工程教育部重点实验室的资助（No. KLIEEE-18-02）和河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室的大力支持，在此一并表示感谢。
笔者学识有限，书中难免有不足之处，敬请读者专家批评指正。

甘小荣
于河海大学
2020年5月

以二维纳米材料的结构-性质-应用为主线，系统介绍了二维纳米材料的制备方法、表征手段和表面功能化策略，及其对结构与性质的影响，重点阐述了二维纳米材料在环境污染物传感分析领域的应用。具体包括污染物分析的必要性，传统的检测法、新型的传感检测法及其各自的优缺点;二维纳米材料结构与性质;二维纳米材料的制备和表征方法，二维纳米材料基传感分析法及其性能的评估方法;环境污染物的电化学传感分析、荧光传感分析、比色传感分析、光电传感分析、电化学发光传感分析以及场发射晶体管传感分析等。
本书可作为环境工程及其相关专业的教学用书或者环境分析化学领域的科研参考书。

第1章概述 001
1.1水体中的污染物和危害 003
1.1.1环境有机污染物 003
1.1.2重金属污染物 004
1.1.3微生物污染物 005
1.2大气中的污染物和危害 005
1.3环境污染物的分析方法 006
1.3.1传统的分析方法 007
1.3.2传感分析方法 008
1.4二维纳米材料在环境监测领域的应用 010
1.4.1二维纳米材料的发展趋势 013
1.4.2二维纳米材料的结构与性能关系 014
1.4.3二维纳米材料在环境监测的应用优势 016
1.5总结和展望 016
参考文献 017

第2章二维纳米材料的结构与性质 019
2.1引言 019
2.2二维纳米材料的结构 021
2.2.1石墨烯族 021
2.2.2过渡金属硫属化物 024
2.2.3金属氢氧化物 025
2.2.4金属有机框架化合物 026
2.2.5第四主族元素 026
2.2.6MXenes 027
2.2.7金属单质 028
2.3二维纳米材料的性质 028
2.3.1力学性能 029
2.3.2表面化学性质 030
2.3.3生物兼容性 032
2.3.4电学性质 033
2.3.5光学性质 035
2.4总结和展望 036
参考文献 037

第3章二维纳米材料的制备和表征方法 040
3.1引言 040
3.2二维纳米材料的制备方法 040
3.2.1自上而下法 042
3.2.2自下而上法 047
3.3二维纳米材料的表征方法 049
3.3.1X射线衍射光谱 049
3.3.2拉曼光谱 050
3.3.3紫外可见吸收光谱 051
3.3.4能谱分析 052
3.4总结和展望 053
参考文献 054

第4章基于二维纳米材料的环境污染物传感分析法 056
4.1引言 056
4.2环境污染物传感分析法的原理和分类 057
4.2.1电化学传感分析法 058
4.2.2荧光传感分析法 058
4.2.3光电传感分析法 059
4.2.4电化学发光传感分析法 060
4.2.5比色传感分析法 060
4.2.6场效应晶体管传感分析法 061
4.3环境污染物传感分析法的性能评估 061
4.3.1选择性 062
4.3.2灵敏度和检出限 062
4.3.3稳定性和重现性 063
4.3.4线性范围 063
4.3.5实用性 063
4.4环境污染物传感分析法的设计策略 064
4.4.1原子水平修饰 064
4.4.2分子水平修饰 066
4.4.3混合维度的纳米复合材料 069
4.5总结和展望 071
参考文献 071

第5章环境污染物的电化学传感分析法 073
5.1引言 073
5.2电极反应的一般过程 076
5.2.1电极/溶液界面的质量传递 077
5.2.2电极/溶液界面的电荷传递 078
5.2.3电极材料的电化学性质表征 078
5.3二维TMDC基电化学传感器 082
5.3.1水体中重金属离子的检测 083
5.3.2水体中有机物的检测 094
5.3.3水体中细菌的检测 095
5.4石墨烯族基电化学传感器 096
5.4.1水体中重金属离子的检测 097
5.4.2水体中有机物的检测 098
5.4.3水体中微生物的检测 101
5.5MXene基电化学传感器 102
5.5.1水体中亚硝酸盐的检测 103
5.5.2水体中有机物的检测 103
5.5.3水体中重金属离子的检测 104
5.6总结和展望 105
参考文献 106

第6章环境污染物的荧光传感分析法 111
6.1引言 111
6.2石墨烯族基荧光传感器 113
6.2.1水体中重金属离子的检测 114
6.2.2水体中抗生素的检测 115
6.2.3水体中有机农药的检测 117
6.2.4水体中药物的检测 118
6.2.5水体中细菌的检测 119
6.3二维TMDC基荧光传感器 120
6.3.1水体中重金属离子的检测 120
6.3.2水体中有机物的检测 122
6.3.3水体中细菌的检测 122
6.4二维过渡金属氧化物基荧光传感器 123
6.4.1水体中有机物的检测 124
6.4.2水体中氧活性物质的检测 125
6.5二维MOF基荧光传感器 126
6.5.1水体中重金属离子的检测 126
6.5.2空气中VOCs的检测 127
6.5.3水体中抗生素的检测 128
6.6总结和展望 129
参考文献 129

第7章环境污染物的比色传感分析法 133
7.1引言 133
7.2石墨烯族基比色传感器 136
7.2.1水体中重金属离子的检测 136
7.2.2水体中有机物的检测 137
7.2.3水体中氧活性物质的检测 138
7.3二维TMDC基比色传感器 139
7.3.1水体中有机物的检测 140
7.3.2水体中氧活性物质的检测 141
7.4二维过渡金属氧化物基比色传感器 143
7.4.1水体中有机物的检测 143
7.4.2水体中致病菌的检测 144
7.5二维MOF基比色传感器  144
7.5.1水体中有机物的检测 145
7.5.2水体中氧活性物质的检测 145
7.6二维金属基比色传感器 148
7.6.1水体中有机物的检测 149
7.6.2水体中氧活性物质的检测 150
7.7总结和展望 151
参考文献 152

第8章环境污染物的光电传感分析法 156
8.1引言 156
8.2石墨烯族基光电传感检测器 161
8.2.1水体中重金属离子的检测 161
8.2.2水体中有机物的检测 164
8.2.3水体中微生物的检测 168
8.2.4水体中无机非金属离子的检测 169
8.3二维TMDC基光电传感检测器 170
8.3.1水体中有机物的检测 170
8.3.2水体中致病菌的检测 172
8.4二维过渡金属氧化物基光电传感器 172
8.4.1水体中重金属离子的检测 173
8.4.2水体中有机物的检测 173
8.5MXene基光电传感检测器 175
8.5.1水体中重金属离子的检测 175
8.5.2水体中有机物的检测 176
8.6总结和展望 177
参考文献 177

第9章环境污染物的电化学发光传感分析法 180
9.1引言 180
9.2石墨烯族基电化学发光传感器 184
9.2.1水体中重金属离子的检测 184
9.2.2水体中有机物的检测 186
9.2.3水体中致病菌的检测 188
9.2.4水体中氧活性物质的检测 189
9.3MXene基电化学发光传感器 190
9.4二维MOF基电化学发光传感器 191
9.5磷烯基电化学发光传感器 192
9.6二维TMDC基电化学发光传感器 193
9.6.1水体中过氧化物的检测 194
9.6.2水体中有机物的检测 196
9.7总结和展望 196
参考文献 196

第10章环境污染物的场发射晶体管传感分析法 199
10.1引言 199
10.2石墨烯族基场发射晶体管传感器 204
10.2.1水体中重金属离子的检测 205
10.2.2水体pH检测 206
10.2.3水体中细菌的检测 207
10.3二维TMDC基场发射晶体管传感器 209
10.3.1水体中重金属离子的传感检测 211
10.3.2空气中氮氧化物的传感检测 212
10.3.3空气中VOCs的传感检测 214
10.4总结和展望 216
参考文献 216