전압전류법 기반 중금속 이온 센서용 킬레이터 기능화된 금속-유기 골격체와 다중벽 탄소나노튜브의 복합체 개발

Abstract

Accurate and efficient detection of heavy metal ions (HMIs) in water is essential for environmental monitoring and human safety. Uncontrolled exposure to HMIs can lead to severe damage to living cells, emphasizing the need for rapid and reliable HMI detection methods. Traditional sensing techniques are often expensive and require skilled operators. Electrochemical detection has emerged as a promising approach for on-site HMI detection in aqueous solutions due to its affordability, reliability, and potential for miniaturization. This work investigates the integration of metal-organic frameworks (MOFs) and carbon nanotubes (CNTs) as modifying materials to enhance electrochemical HMI detection. MOFs, known for their high porosity and selective metal-binding properties, have demonstrated great potential in sensing applications. CNTs, with their large surface area and excellent conductivity, further amplify the sensing capabilities. The first approach involves the fabrication of a MOF-CNT-modified electrode by growing a zinc-based MOF, ZIF-8, on multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) to enhance water stability and electrical conductivity. This modification improves the sensing response towards Hg2+. The second approach focuses on post-synthetic modification of MOF for enhanced electrochemical HMI detection. UiO66 MOFs are grown on carboxylated MWCNTs, and then post-synthetically functionalized with ethylene-diamine-tetraacetic acid (EDTA) to further enhance the HMI sensing properties. The modified electrode demonstrates a highly improved response specifically towards Pb2+. |수중 중금속 이온의 정확하고 효율적인 탐지는 환경 모니터링과 안전을 위해 매우 중요하다. 무분별한 중금속 노출은 생체 세포에 심각한 손상을 초래할 수 있으므로, 빠르고 신뢰할 수 있는 중금속 이온의 탐지 방법이 필요하다. 기존의 감지 기술은 감도는 높으나 전처리 비용이 많이 들고 숙련된 인력이 필요한 경우가 많았다. 전기화학식 중금속 이온 감지는 경제적이고 신뢰성이 높으며, 기기의 소형화가 가능해 현장에서 바로 중금속 이온을 하기에 용이한 접근 방법으로 대두되었다. 본 연구에서는 전기화학적 중금속 이온 탐지 향상을 위해 전극 수정 물질로 금속-유기 골격체 (Metal-Organic Frameworks, MOFs)와 탄소나노튜브 (Carbon Nanotubes, CNTs)를 결합하여 사용하였다. MOFs는 높은 기공도와 선택적 금속 결합 특성으로 센서 분야에서 다양하게 응용되었으며, CNTs는 큰 표면적과 우수한 전도성으로 감지 능력을 더욱 증폭시켰다. 첫 번째 연구는 다중벽 탄소나노튜브 (Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs) 위에 아연 기반 MOF인 ZIF-8을 성장시켜 수분 안정성과 전기 전도성을 향상시키는 MOF-CNT로 수정된 전극의 합성으로, 이 연구를 통해 만들어진 전극은 Hg2+에 대해 향상된 감지성능을 보였다. 두 번째 방법은 MOF의 합성 후 변형을 통한 전기화학식 중금속 이온 감지의 향상에 초점을 맞추었다. UiO66 MOF는 카복실화된 MWCNT 위에 성장한 후 에틸렌디아민테트라아세트산 (Ethylene Diamine Tetraacetic Acid, EDTA)으로 합성 후 기능화 되어 중금속 이온 감지 특성을 더욱 향상시켰다. 수정된 전극은 특히 Pb2+에 대한 감도가 크게 향상되었다.