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文章题目：Activating Ni nanoparticles into Ni single atoms by N doping for
high-performance electrochemical sensing of glucose
作者： Hang Yin, Xiao Bai, Ziyin Yang *
关键词：N doping; Ni nanoparticles; Ni single atoms; Glucose; Non-enzymatic sensor
引用信息： Hang Yin, Xiao Bai, Ziyin Yang, Activating Ni nanoparticles into Ni single atoms by N doping for high-performance electrochemical sensing of glucose, Chemical Engineering Journal,478, 2023, 147510,. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147510
一、图文摘要
二、前言
葡萄糖的含量与人体健康息息相关。如何快速高效的实现葡萄糖含量的精准测定，是当前的研究热点。作为分析化学的重要组成部分，电化学传感为测定葡萄糖含量提供了契机。目前，已报道了多种可高灵敏检测葡萄糖的电化学传感方法。其中，影响电化学传感性能的重要因素是传感材料的选择。在各种各样的传感材料中，镍基纳米材料由于价格便宜、来源广泛等优点而受到了广泛关注。为进一步调控镍基纳米材料的电催化活性，研究者开发了多种有效的方法。其中，氮掺杂是一种有效的策略。然而，当前对氮掺杂调控电催化活性的机制仍不甚明了。
据报道，金属单原子的结构与金属纳米颗粒明显不同，使得金属单原子往往展现出一些独特的性质。而在制备金属单原子材料时，碳材料中掺杂的氮杂原子起到了非常重要的作用。这是因为金属单原子往往是以与氮配位的形式锚定于碳材料载体中。因此，在以往报道的镍基纳米材料的电化学传感研究中，氮掺杂是否诱导了镍单原子的生成，以及诱导生成的镍单原子是否对电催化氧化葡萄糖具有活性，这些都是易被忽视的问题。
因此，在该研究中，通过透射电镜和球差电镜发现了在氮掺杂的碳基体材料中，除了分布有镍纳米颗粒外，还存在着镍单原子；其次，通过电化学表征发现，镍单原子不仅对葡萄糖的氧化反应展现了电催化活性，而且其活性明显高于镍纳米颗粒；基于此，构建了一种基于镍单原子的高灵敏检测葡萄糖的电化学传感新方法。该研究发现了镍单原子的电催化活性，为揭示氮掺杂调控电催化机制提供了一个新的视角和思路。
三、文章内容概括
通过热解法法在氮掺杂的碳材料上制备镍纳米颗粒，借助于球差电镜发现，镍单原子也分布在氮掺杂的碳材料中（图3）。这证明了氮掺杂对于锚定金属单原子的重要作用。通过同步辐射表征分析，表明镍单原子是以与氮配位的形式存在的，并且镍与氮的配位数为1：3（图4D）。
图3. 镍金属单原子的TEM、HAADF-STEM和元素分布图
图4 (D). 镍金属单原子的傅立叶变换EXAFS谱
通过循环伏安法研究了镍单原子与镍纳米颗粒电催化氧化葡萄糖的性能（图5 C, D）。研究结果表明，葡萄糖在镍单原子修饰的电极上氧化反应的速率更快，获得的氧化峰电流也更强。这表明，镍单原子不仅拥有电化学活性，而且其电催化能力要比常规的镍纳米颗粒更高。
图5 (C, D). 镍纳米颗粒与镍金属单原子修饰电极的循环伏安图
图8 (A, B, C). 镍纳米颗粒与镍金属单原子对葡萄糖分子的吸附示意图及吸附能; (D)
镍纳米颗粒与镍金属单原子的Bader电荷分析
以往研究报道，传感材料对葡萄糖分子拥有比较强的吸附能，这有利于促进葡萄糖分子的电化学氧化反应。通过模拟计算表明，镍单原子相对于镍纳米颗粒来说，其对葡萄糖分子的吸附能力更弱（图8 A, B, C）。这表明，镍单原子良好的电催化活性并非源于其对葡萄糖的吸附。借助于差分电荷密度分析，发现镍单原子比镍纳米颗粒失去了更多的电子，呈现了更高的价态（图8 D）。这对于促进葡萄糖的氧化反应可能具有积极作用。
四、重要结论
在利用热解法制备金属纳米材料时，氮掺杂确实易于诱导金属单原子的生成，且金属单原子展现了较为可观的电催化活性。该研究不仅为揭示氮掺杂调控电化学传感机制提供了一种新的解释，而且证明了金属单原子是一种非常有前景的传感材料，从而丰富了金属单原子材料在电化学传感领域的应用，也为构建高性能的电化学传感分析新方法提供了思路。
