Synthesis of hollow Prussian blue cubes as an electrocatalyst for the reduction of hydrogen peroxide

Abstract

A cubic Prussian blue (PB) with the hollow interior was successfully synthesized by direct dissociation followed by a controlled self-etching process. The etching process also made hollow Prussian blue (HPB) a porous structure. SEM, TEM and XRD were employed to confirm the structure and morphology of the prepared materials. Then HPB and chitosan (CS) were deposited on a glassy carbon electrode (GCE), used to determine H₂O₂. The amperometric performance of HPB/CS/GCE was investigated. It was found that the special structure of HPB exhibits enhanced performance in the H₂O₂ sensing.

Keywords

Prussian blue / hollow structure / hydrogen peroxide / sensor / non-enzyme / electrocatalyst

References

[1] Luo X L, Xu J J, Zhao W, . A novel glucose ENFET based on the special reactivity of MnO₂ nanoparticles. Biosensors & Bioelectronics, 2004, 19(10): 1295–1300

[2] Cui X, Liu G, Lin Y. Biosensors based on carbon nanotubes/nickel hexacyanoferrate/glucose oxidase nanocomposites. Journal of Biomedical Nanotechnology, 2005, 1(3): 320–327

[3] Lian W P, Wang L, Song Y H, . A hydrogen peroxide sensor based on electrochemically roughened silver electrodes. Electrochimica Acta, 2009, 54(18): 4334–4339

[4] Wang Q M, Niu H L, Mao C J, . Facile synthesis of trilaminar core–shell Ag@C@Ag nanospheres and their application for H₂O₂ detection. Electrochimica Acta, 2014, 127: 349–354

[5] Shu X, Chen Y, Yuan H, . H₂O₂ sensor based on the room-temperature phosphorescence of nano TiO₂/SiO₂ composite. Analytical Chemistry, 2007, 79(10): 3695–3702160;

[6] Krishnan V, Xidis A L, Neff V D. Prussian blue solid-state films and membranes as potassium ion-selective electrodes. Analytica Chimica Acta, 1990, 239: 7–12 

[7] Kulesza P J, Miecznikowski K, Malik M A, . Electrochemical preparation and characterization of hybrid films composed of Prussian blue type metal hexacyanoferrate and conducting polymer. Electrochimica Acta, 2001, 46(26–27): 4065–4073

[8] Itaya K, Shoji N, Uchida I. Catalysis of the reduction of molecular oxygen to water at prussian blue modified electrodes. Journal of the American Chemical Society, 1984, 106(12): 3423–3429

[9] Chen W, Cai S, Ren Q Q, . Recent advances in electrochemical sensing for hydrogen peroxide: a review. Analyst, 2012, 137(1): 49–58

[10] Pandey P C, Pandey A K, Chauhan D S. Nanocomposite of Prussian blue based sensor for l-cysteine: Synergetic effect of nanostructured gold and palladium on electrocatalysis. Electrochimica Acta, 2012, 74: 23–31

[11] Karyakin A A, Puganova E A, Budashov I A, . Prussian blue based nanoelectrode arrays for H₂O₂ detection. Analytical Chemistry, 2004, 76(2): 474–478

[12] O’Halloran M P, Pravda M, Guilbault G G. Prussian Blue bulk modified screen-printed electrodes for H₂O₂ detection and for biosensors. Talanta, 2001, 55(3): 605–611

[13] Zhu X, Niu X, Zhao H, . Doping ionic liquid into Prussian blue-multiwalled carbon nanotubes modified screen-printed electrode to enhance the nonenzymatic H₂O₂ sensing performance. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 195(5): 274–280

[14] Karyakin A A, Gitelmacher V O, Karyakina E E. A high-sensitive glucose amperometric biosensor based on Prussian blue modified electrodes. Analytical Letters, 1994, 27(15): 2861–2869

[15] Jin E, Lu X, Cui L, . Fabrication of graphene/prussian blue composite nanosheets and their electrocatalytic reduction of H₂O₂. Electrochimica Acta, 2010, 55(24): 7230–7234

[16] Zhang W, Wang L, Zhang N, . Functionalization of single-walled carbon nanotubes with cubic prussian blue and its application for amperometric sensing. Electroanalysis, 2009, 21(21): 2325–2330

[17] Ameloot R, Vermoortele F, Vanhove W, . Interfacial synthesis of hollow metal-organic framework capsules demonstrating selective permeability. Nature Chemistry, 2011, 3(5): 382–387

[18] Liang G, Xu J, Wang X. Synthesis and characterization of organometallic coordination polymer nanoshells of Prussian blue using miniemulsion periphery polymerization (MEPP). Journal of the American Chemical Society, 2009, 131(15): 5378–5379

[19] Wei C, Cheng C, Zhao J, . NiS hollow spheres for high-performance supercapacitors and non-enzymatic glucose sensors. Chemistry — An Asian Journal, 2015, 10(3): 679–686

[20] Meek S T, Greathouse J A, Allendorf M D. Metal-organic frameworks: a rapidly growing class of versatile nanoporous materials. Advanced Materials, 2011, 23(2): 249–267

[21] Yang J, Cho M, Lee Y. Synthesis of hierarchical NiCo₂O₄ hollow nanorods via sacrificial-template accelerate hydrolysis for electrochemical glucose oxidation. Biosensors & Bioelectronics, 2016, 75: 15–22

[22] Chen D L, Cao Y, Chen Y, . Rapid synthesis of hollow  Ni(OH)₂ with low-crystallinity for the electrochemical detection of ascorbic acid with high sensitivity. RSC Advances, 2016, 6(49): 43598–43604

[23] Yang Y, Du J J, Luo L M, . Facile aqueous-phase synthesis and electrochemical properties of novel PtPd hollow nanocatalysts. Electrochimica Acta, 2016, 212: 966–972

[24] Zhang L, Wu H B, Lou X W. Metal-organic-frameworks-derived general formation of hollow structures with high complexity. Journal of the American Chemical Society, 2013, 135(29): 10664–10672

[25] Tang X, Liu Y, Hou H, . Electrochemical determination of L-Tryptophan, L-Tyrosine and L-Cysteine using electrospun carbon nanofibers modified electrode. Talanta, 2010, 80(5): 2182–2186

[26] Zhang J, Li J, Yang F, . Preparation of Prussian blue@Pt nanoparticles/carbon nanotubes composite material for efficient determination of H₂O₂. Sensors and Actuators B: Chemical, 2009, 143(1): 373–380

[27] Wang Y T, Yu L, Zhu Z Q, . Improved enzyme immobilization for enhanced bioelectrocatalytic activity of glucose sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 2009, 136(2): 332–337

[28] Shen Q, Jiang J, Fan M, . Prussian blue hollow nanostructures: Sacrificial template synthesis and application in hydrogen peroxide sensing. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2014, 712(2): 132–138

[29] Keihan A H, Sajjadi S. Improvement of the electrochemical and electrocatalytic behavior of Prussian blue/carbon nanotubes composite via ionic liquid treatment. Electrochimica Acta, 2013, 113: 803–809

[30] Wang L, Ye Y, Zhu H, . Controllable growth of Prussian blue nanostructures on carboxylic group-functionalized carbon nanofibers and its application for glucose biosensing. Nanotechnology, 2012, 23(45): 455502

[31] Li Y, Zheng J B, Sheng Q L, . Synthesis of Ag@AgCl nanoboxes, and their application to electrochemical sensing of hydrogen peroxide at very low potential. Microchimica Acta, 2015, 182(1–2): 61–68

[32] Wang J P, Gao H, Sun F L, . Nanoporous PtAu alloy as an electrochemical sensor for glucose and hydrogen peroxide. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 191(2): 612–618

[33] Zhang B, Zhang X, Huang D, . Co₉S₈ hollow spheres for enhanced electrochemical detection of hydrogen peroxide. Talanta, 2015, 141: 73–79

[34] Liu S, Yu B, Li F, . Coaxial electrospinning route to prepare Au-loading SnO₂ hollow microtubes for non-enzymatic detection of H₂O₂. Electrochimica Acta, 2014, 141: 161–166

[35] Nie G D, Lu X F, Lei J Y, . Sacrificial template-assisted fabrication of palladium hollow nanocubes and their application in electrochemical detection toward hydrogen peroxide. Electrochimica Acta, 2013, 99: 145–151

Acknowledgements

The authors gratefully acknowledge the financial support of this project by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 21575113), the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (Grant No. 20126101110013), the Natural Science Fund of Shaanxi Province in China (Grant No. 2013KJXX-25), and the Scientific Research Foundation of Shaanxi Provincial Key Laboratory (Grant Nos. 15JS100 and 16JS099).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg