化学在我们的生活中无处不在。我们做饭时发生了化学变化。铁锅生锈也是化学变化。化肥让庄稼长得更好。洗衣粉能去掉污渍。这些日常现象背后都有化学原理。函授学习化学知识很有意义。我们可以把化学用到实际工作中。这篇毕业论文想讨论一个具体问题。这个问题是关于重金属离子检测的。重金属离子污染水很危险。铅离子和汞离子对人体有害。我们需要找到检测它们的好方法。传统的检测方法有些缺点。有的方法需要贵重仪器。有的方法操作很复杂。有的方法不够灵敏。我们希望找到一种新方法。这种方法应该简单快速。这种方法应该便宜好用。这种方法应该灵敏度高。

电化学检测方法很有潜力。它的原理是测量电流变化。重金属离子在电极上发生反应。反应产生电流信号。电流大小和离子浓度有关。我们通过电流就知道离子有多少。电化学检测有很多优点。仪器设备相对简单。检测速度比较快。灵敏度可以很高。但是普通电极有问题。普通电极的灵敏度不够。普通电极的选择性不好。几种离子混在一起会互相干扰。我们需要改进电极材料。

纳米材料能帮助改进电极。纳米材料很小很小。它的表面积非常大。大的表面积能吸附更多离子。吸附多了信号就变强。纳米材料还有特殊性质。它的导电性能很好。它的催化活性很高。我们选择二氧化钛纳米材料。二氧化钛是一种白色粉末。它常常用在防晒霜里。它也在油漆里使用。二氧化钛纳米材料很稳定。它不容易发生反应。它对环境没有污染。它的制备方法比较简单。价格也不贵。

我们想用二氧化钛纳米材料修饰电极。修饰的意思是把材料铺在电极表面。就像给电极穿一件外套。这件外套是纳米材料做的。纳米材料外套能捕捉重金属离子。捕捉到了就产生电信号。信号比普通电极强很多。我们具体怎么做呢？先把电极表面洗干净。用氧化铝粉末抛光电极。抛光后电极像镜子一样亮。然后配制二氧化钛纳米溶液。溶液里有微小的纳米颗粒。颗粒悬浮在水中。把溶液滴在电极表面。让水分慢慢蒸发。纳米材料就留在电极上了。电极表面覆盖了薄薄一层纳米材料。这样的电极就叫修饰电极。

我们测试修饰电极的性能。测试需要配制标准溶液。用硝酸铅配制铅离子溶液。用硝酸汞配制汞离子溶液。浓度从低到高配好几份。每一份浓度都准确知道。把修饰电极放进溶液里。连接好电化学工作站。工作站是测量电信号的仪器。我们使用差分脉冲伏安法。这是一种测量技术。它给电极加变化的电压。同时测量产生的电流。电流会形成峰形曲线。峰的高度对应离子浓度。浓度越高峰就越高。

先测试铅离子的检测效果。把修饰电极放进铅离子溶液。测量得到一个电流峰。记录峰的高度值。换一个浓度的铅离子溶液。再测量新的电流峰。浓度提高峰也变高。数据记在表格里。画一张坐标图。横坐标是铅离子浓度。纵坐标是电流峰高。点连成一条线。这条线基本上是直的。这说明浓度和信号成正比关系。比例关系很重要。我们看到很低的浓度也能测出来。检测限达到零点零零一毫克每升。这个值比国家标准低很多。说明方法很灵敏。

再测试汞离子的检测效果。步骤和测铅离子一样。不同浓度的汞离子溶液。测量得到不同的电流峰。记录数据画坐标图。横坐标是汞离子浓度。纵坐标是电流峰高。点也连成一条线。这条线也是直的。检测限同样很低。说明对汞离子也很灵敏。

现在测试选择性。选择性就是分辨不同离子的能力。我们把铅离子和汞离子混在一起。配制混合溶液。用修饰电极测量。观察电流峰的情况。结果出现两个分开的峰。一个峰代表铅离子。另一个峰代表汞离子。两个峰的位置不同。这说明修饰电极能区分它们。电极对铅离子和汞离子有选择性响应。混合溶液中其他离子也存在。比如钠离子钾离子钙离子。这些离子很常见。测试发现这些离子不干扰。它们的峰不出现。这说明修饰电极的选择性很好。

我们还要测试电极的稳定性。同一个修饰电极重复使用。测量同一种溶液十次。十次得到的电流峰高度差不多。数据波动很小。这说明电极很稳定。修饰层不容易脱落。电极可以保存一段时间。第一天做的电极。第七天拿出来用。性能没有明显下降。这说明电极的保存性也好。

实际水样测试很重要。我们去采集真实水样。从附近的河流取水。从工厂排水口取水。水样可能含有各种杂质。用修饰电极直接测量。测量结果和标准方法对比。标准方法用原子吸收光谱仪。这是实验室的可靠方法。两种方法的结果很接近。这说明我们的方法准确。实际水样中的复杂成分不干扰。修饰电极在实际中能用。

我们讨论为什么修饰电极性能好。二氧化钛纳米材料是关键。纳米颗粒很小。它们紧贴在电极表面。形成了多孔的结构。像海绵一样有很多小孔。小孔增加了表面积。重金属离子容易被吸附。吸附到表面就容易发生电化学反应。反应产生的电流就大。信号就放大了。二氧化钛本身有作用。它对铅和汞有亲和力。它能吸引这些离子。别的离子它不吸引。所以选择性好。纳米材料还促进了电子转移。电子转移速度快。电流响应就快。

这个研究有实用价值。重金属污染是现实问题。工厂排放需要监测。环境水质需要检查。我们的方法提供了新工具。它成本低。普通实验室都能做。它速度快。一次测量几分钟完成。它灵敏度高。能发现微量污染。它操作简单。不需要复杂培训。这个方法可以推广。帮助更多地方检测重金属。

研究中遇到了一些困难。纳米材料的制备需要控制条件。温度和时间影响材料大小。我们做了很多次实验。找到合适的制备参数。电极修饰过程也要小心。滴加溶液的量要一致。干燥的速度要均匀。我们反复练习掌握了技巧。测量条件也需要优化。电压范围要选对。扫描速度要合适。我们通过实验确定了最佳条件。

这个研究还可以继续深入。可以尝试其他纳米材料。氧化锌纳米材料也许更好。碳纳米材料也值得试。可以检测更多重金属离子。镉离子铬离子也很重要。可以开发便携式检测设备。把电化学仪器做成小盒子。带到现场直接测量。可以和智能手机连接。数据自动分析处理。这些是未来的方向。

化学知识通过函授学习得来。自学需要耐心。教材要仔细阅读。实验要亲手操作。理论知识结合实际问题。毕业论文是对学习的总结。研究过程锻炼了能力。学会了查找文献。学会了设计实验。学会了分析数据。学会了解决问题。这些能力对工作有帮助。在工厂做质量控制。在环保部门做监测。在学校做科普教育。化学知识都能用上。

化学连接着书本和生活。检测重金属是为了保护健康。干净的水安全的食物很重要。化学研究服务于这个目标。我们的工作很小。但是有实际意义。函授学习让我们进步。我们能用知识做点事情。这让人感到充实。化学世界很大。我们了解了一小部分。这一部分很有用。继续学习会有更多发现。生活中有许多化学问题等待解决。我们愿意继续探索。