Mesoporous WO₃-Dot-Decorated Flexible Electrodes for the Determination of Industrial Pollutants

Abstract

This study demonstrates the fabrication of mesoporous tungsten trioxide (WO₃)-decorated flexible polyimide (PI) electrodes for the highly sensitive detection of catechol (CC) and hydroquinone (HQ), two environmental pollutants. Organic–inorganic composite dots are formed on flexible PI electrodes using evaporation-induced self-assembly (EISA) and electrospray methods. The EISA process is induced by a temperature gradient during electrospray, and the heated substrate partially decomposes the organic parts etched by O₂ plasma, creating mesoporous structures. Differential pulse voltammetry and cyclic voltammetry demonstrate a linear correlation between analyte concentration and the electrochemical response. Computational studies support the spontaneous adsorption of CC and HQ molecules on model WO₃ surfaces. The proposed sensor shows high sensitivity, a wide linear range, and a low detection limit for both individual and simultaneous determination of CC and HQ. Real sample analysis on river water confirms practical applicability. The WO₃-decorated PI electrode presents an efficient and reliable approach for detecting these pollutants, contributing to environmental safety measures.

Keywords

catechol / flexible sensor / hydroquinone / mesoporous WO ₃ / simultaneous determination

References

[1] M. Motamedi, L. Yerushalmi, F. Haghighat, Z. Chen, Chemosphere 2022, 296, 133688.

[2] S. Lakshmy, A. Kundu, N. Kalarikkal, B. Chakraborty, J. Mater. Chem. B 2022, 10, 5958.

[3] R. Ladeia Ramos, V. Rezende Moreira, M. C. Santos Amaral, J. Environ. Manag. 2024, 351, 119772.

[4] N. Panigrahy, A. Priyadarshini, M. M. Sahoo, A. K. Verma, A. Daverey, N. K. Sahoo, Environ. Technol. Innov. 2022, 27, 102423.

[5] Y. Lu, Int. J. Electrochem. Sci. 2019, 14, 10043.

[6] G. H. Ribeiro, L. M. Vilarinho, T. S. Ramos, A. L. Bogado, L. R. Dinelli, Electrochim. Acta 2015, 176, 394.

[7] D. C. Topping, L. G. Bernard, J. L. O’Donoghue, J. C. English, Food Chem. Toxicol. 2007, 45, 70.

[8] A. P. DeCaprio, Crit. Rev. Toxicol. 1999, 29, 283.

[9] D. M. de Oliveira, B. P. S. Pitanga, M. S. Grangeiro, R. M. F. Lima, M. F. D. Costa, S. L. Costa, J. Clarêncio, R. S. El-Bachá, Hum. Exp. Toxicol. 2010, 29, 199.

[10] D. Wierda, R. D. Irons, Immunopharmacology 1982, 4, 41.

[11] N. Schweigert, A. J. B. Zehnder, R. I. L. Eggen, Environ. Microbiol. 2001, 3, 81.

[12] J. Li, S. Jiang, Y. Chen, R. Ma, J. Chen, S. Qian, Y. Shi, Y. Han, S. Zhang, K. Yu, Toxicol. In Vitro 2018, 46, 361.

[13] M. do Céu Silva, J. Gaspar, I. Duarte Silva, D. Leão, J. Rueff, Mutagenesis 2003, 18, 491.

[14] International Labour Organization, World Health Organization, Catechol. https://chemicalsafety.ilo.org/dyn/icsc/showcard.display?p_lang=en&p_version=2&p_card_id=0411 (accessed: January 2024).

[15] International Labour Organization, World Health Organization, Hydroquinone. https://chemicalsafety.ilo.org/dyn/icsc/showcard.display?p_card_id=0166 (accessed: January 2024).

[16] H. Bährs, A. Putschew, C. E. W. Steinberg, Environ. Sci. Pollut. Res. 2013, 20, 146.

[17] L. V. L Martoni, N. O. Gomes, T. M. Prado, M. L. Calegaro, O. N. Oliveira Jr., S. A. S. Machado, P. A Raymundo-Pereira, J. Environ. Chem. Eng. 2022, 10, 107556.

[18] M. K. Abugazleh, H. M. Ali, J. A. Chester, J. L. Bouldin, Ecotoxicology 2023, 32, 656.

[19] A. A. Aghapour, G. Moussavi, K. Yaghmaeian, J. Environ. Health Sci. Eng. 2013, 11, 3.

[20] F. J. Enguita, A. L. Leitão, Biomed. Res. Int. 2013, 2013, 542168.

[21] C. H. Risner, J. Liq. Chromatogr. 1993, 16, 4117.

[22] E. L. B. Lourenço, A. Ferreira, E. Pinto, M. Yonamine, S. H. P. Farsky, Chromatographia 2006, 63, 175.

[23] A. Afkhami, H. A. Khatami, J. Anal. Chem. 2001, 56, 429.

[24] A. Koyappayil, H. T. Kim, M.-H. Lee, J. Hazard. Mater. 2021, 412, 125211.

[25] S. Boroumand, M. Arab Chamjangali, G. Bagherian, Measurement 2019, 139, 454.

[26] L. Zhao, B. Lv, H. Yuan, Z. Zhou, D. Xiao, Sensors 2007, 7, 578.

[27] P. A Raymundo-Pereira, N. O. Gomes, S. A. S. Machado, O. N. Oliveira Jr., Chem. Eng. J. 2022, 435, 135047.

[28] R. T. Paschoalin, N. O. Gomes, G. F. Almeida, S. Bilatto, C. S. Farinas, S. A. Machado, L. H. Mattoso, O. N. Oliveira Jr., P. A. J. B. Raymundo-Pereira, Bioelectronics 2022, 199, 113875.

[29] K. Aneesh, S. Berchmans, J. Solid State Electrochem. 2017, 21, 1263.

[30] M. Singh, S. R. Bhardiya, A. Rai, V. K. J. S. Rai, Diagnostics 2022, 1, 376.

[31] G. Ibáñez-Redín, G. R. Cagnani, N. O. Gomes, P. A Raymundo-Pereira, S. A. Machado, M. A. Gutierrez, J. E. Krieger, O. N. J. B. Oliveira Jr., Bioelectronics 2023, 223, 114994.

[32] H. Huang, Y. Chen, Z. Chen, J. Chen, Y. Hu, J.-J. Zhu, J. Hazard. Mater. 2021, 416, 125895.

[33] J. Theerthagiri, S. J. Lee, K. Karuppasamy, J. Park, Y. Yu, M. L. A. Kumari, S. Chandrasekaran, H.-S. Kim, M. Y. Choi, J. Hazard. Mater. 2021, 420, 126648.

[34] S. C. Teixeira, N. O. Gomes, M. L. Calegaro, S. A. Machado, T. V. de Oliveira, N. F. F. Soares, P. A. J. B. A. Raymundo-Pereira, Biomater. Adv. 2023, 155, 213676.

[35] T. C. Canevari, P. A Raymundo-Pereira, R. Landers, S. A. S. Machado, Eur. J. Inorg. Chem. 2013, 2013, 5746.

[36] A. C. Sá, S. C. Barbosa, P. A Raymundo-Pereira, D. Wilson, F. M. Shimizu, M. Raposo, O. N. Oliveira Jr., Chemosensors 2020, 8, 103.

[37] P. A Raymundo-Pereira, N. O. Gomes, S. A. S. Machado, O. N. Oliveira Jr., J. Electroanal. Chem. (Lausanne) 2019, 848, 113319.

[38] S. C. Teixeira, N. O. Gomes, T. V. de Oliveira, P. P. Fortes-Da-Silva, N. F. F. Soares, P. A Raymundo-Pereira, Biosens. Bioelectron. X 2023, 14, 100371.

[39] P. A Raymundo-Pereira, A. M. Campos, C. D. Mendonça, M. L. Calegaro, S. A. S. Machado, O. N. Oliveira Jr., Sens. Actuators B Chem. 2017, 252, 165.

[40] Z. Li, M. Zhu, Chem. Commun. 2020, 56, 14541.

[41] K. Aneesh, C. S. R. Vusa, S. Berchmans, Anal. Bioanal. Chem. 2016, 408, 6213.

[42] L. F. Pompeu Prado Moreira, E. Buffon, N. R. Stradiotto, Talanta 2020, 208, 120379.

[43] S. R. Yashas, S. Sandeep, B. P. Shivakumar, N. K. Swamy, Environ. Sci. Pollut. Res. 2020, 27, 27234.

[44] M. Yu, L. Wu, J. Miao, W. Wei, A. Liu, S. Liu, Anal. Chim. Acta 2019, 1080, 84.

[45] M. Deng, S. Lin, X. Bo, L. Guo, Talanta 2017, 174, 527.

[46] P. A Raymundo-Pereira, N. O. Gomes, F. M. Shimizu, A. S. Machado, O. N. Oliveira Jr., Chem. Eng. J. 2021, 408, 127279.

[47] N. O. Gomes, S. C. Teixeira, M. L. Calegaro, S. A. S. Machado, N. F. F. Soares, T. V. de Oliveira, P. A Raymundo-Pereira, Chem. Eng. J. 2023, 472, 144775.

[48] S. Zhao, J. Li, D. Cao, G. Zhang, J. Li, K. Li, Y. Yang, W. Wang, Y. Jin, R. Sun, C.-P. Wong, ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 12147.

[49] H.-U. Kim, A. Koyappayil, H. Seok, K. Aydin, C. Kim, K.-Y. Park, N. Jeon, W. S. Kang, M.-H. Lee, T. Kim, Small 2021, 17, 2102757.

[50] Y. Wang, S. Zhang, C. Huang, F. Qu, D. Yao, H. Guo, H. Xu, C. Jiang, M. Yang, Dalton Trans. 2021, 50, 970.

[51] R. Miao, W. Zeng, Q. Gao, Appl. Surf. Sci. 2016, 384, 304.

[52] W. Yang, B. Ling, B. Hu, H. Yin, J. Mao, P. J. Walsh, Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2.

[53] J. Polleux, A. Gurlo, N. Barsan, U. Weimar, M. Antonietti, M. Niederberger, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 261.

[54] R. Ponnusamy, R. Venkatesan, R. Samal, M. Kandasamy, V. Gandhiraj, B. Chakraborty, C. S. Rout, Appl. Surf. Sci. 2021, 536, 147669.

[55] A. Staerz, S. Somacescu, M. Epifani, T. Kida, U. Weimar, N. Barsan, ACS Sensors 2020, 5, 1624.

[56] K.-W. Kim, H. Seok, S. Son, S.-J. Park, C. Yang, D. Lee, H.-C. Lee, J. Mun, H.-J. Yeom, M. Y. Yoon, B. Park, S. H. Kim, C. Jo, H. C. Moon, T. Kim, J. K. Kim, Adv. Mater. 2024, 36, 2311809.

[57] H. Seok, I. Lee, J. Cho, D. Sung, I.-K. Baek, C.-H. Lee, E. Kim, S. Jeon, K. Park, T. Kim, Nanotechnology 2022, 33, 025603.

[58] H. Seok, Y. T. Megra, C. K. Kanade, J. Cho, V. K. Kanade, M. Kim, I. Lee, P. J. Yoo, H.-U. Kim, J. W. Suk, T. Kim, ACS Nano 2021, 15, 707.

[59] R. F Garcia-Sanchez, T. Ahmido, D. Casimir, S. Baliga, P. Misra, Chem. Eur. J. 2013, 117, 13825.

[60] R. Siburian, C. Simanjuntak, M. Supeno, S. Lumbanraja, H. Sihotang, Orient. J. Chem. 2018, 34, 182.

[61] J. Cho, M. Kim, H. Seok, G. H. Choi, S. S. Yoo, N. C. Sagaya Selvam, P. J. Yoo, T. Kim, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 24008.

[62] C. K. Kanade, H. Seok, V. K. Kanade, K. Aydin, H. U. Kim, S. B. Mitta, W. J. Yoo, T. Kim, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 8710.

[63] L. Wang, C.-S. Tsang, W. Liu, X. Zhang, K. Zhang, E. Ha, W.-M. Kwok, J. H. Park, L. Y. Suk Lee, K.-Y. Wong, J. Mater. Chem. A 2019, 7, 221.

[64] L. Khalafi, A. M. Cunningham, L. E Hoober-Burkhardt, M. Rafiee, J. Chem. Educ. 2021, 98, 3957.

[65] J. E. B Randles, Trans. Faraday Soc. 1948, 44, 327.

[66] A. Sevčik, Collect. Czechoslov. Chem. Commun. 1948, 13, 349.

[67] H. Du, J. Ye, J. Zhang, X. Huang, C. Yu, J. Electroanal. Chem. 2011, 650, 209.

[68] P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, G. L. Chiarotti, M. Cococcioni, I. Dabo, A. Dal Corso, S. de Gironcoli, S. Fabris, G. Fratesi, R. Gebauer, U. Gerstmann, C. Gougoussis, A. Kokalj, M. Lazzeri, L. Martin-Samos, N. Marzari, F. Mauri, R. Mazzarello, S. Paolini, A. Pasquarello, L. Paulatto, C. Sbraccia, S. Scandolo, G. Sclauzero, A. P. Seitsonen, A. Smogunov, P. Umari, R. M. Wentzcovitch, J. Phys. Condens. Matter 2009, 21, 395502.

[69] J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865.

[70] P. E. Blöchl, Phys. Rev. B 1994, 50, 17953.

[71] G. Kresse, D. Joubert, Phys. Rev. B 1999, 59, 1758.

[72] H. J. Monkhorst, J. D. Pack, Phys. Rev. B 1976, 13, 5188.

RIGHTS & PERMISSIONS

2024 The Author(s). Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.