CN111289589A - 二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二氧化锰‑氧化多壁碳纳米管复合材料修饰玻碳电极及其制备方法和应用。首先,回收利用氧化石墨烯制备过程中产生的锰源以合成爆米花状二氧化锰微球,其次制备氧化多壁碳纳米管,并通过自组装得到二氧化锰‑氧化多壁碳纳米管复合材料,然后将二氧化锰‑氧化多壁碳纳米管复合材料的分散液滴涂于玻碳电极表面,即得二氧化锰‑氧化多壁碳纳米管复合材料修饰玻碳电极,可对不同过氧化氢溶液进行催化分析。该电极有效利用二氧化锰的催化活性、氧化多壁碳纳米管的导电性以及两者之间的协同作用,可实现对牛奶实际样品中过氧化氢的高灵敏、低成本、高稳定性及选择性非酶催化,具有潜在的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电化学技术领域,特别涉及一种二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极及其应用。
背景技术
过氧化氢(H2O2)是一种活性氧(ROS),在食品、制药、纺织品、纸浆、化妆品等许多领域都具有重要作用。例如,在食品中添加H2O2作为抗微生物剂已获得美国食品药品管理局(FDA)的批准,但过量的H2O2会引发消化道的损害。同时,由于其细胞毒性作用,过量H2O2的存在可能会引起神经系统疾病,对人体产生威胁。因此,开发一种精确且灵敏检测药物、食品中H2O2的方法具有重要意义。
二氧化锰(MnO2)因其易得、廉价以及环境友好等特点已被广泛应用于干电池、有色金属湿法冶金、陶瓷和搪瓷、橡胶工业、玻璃生产等方面,其也是化学试剂、医药、焊接、油漆、合成工业等的重要原料。MnO2具有优异的催化活性,将其运用于玻碳电极表面的修饰能提高传感器的催化性能。然而报道的基于MnO2的电化学传感器几乎是使用购买的高纯度锰盐或高锰酸钾来制备MnO2。众所周知,通过改良的Hummers方法合成的氧化石墨烯(GO)产生的废液经常被丢弃,造成资源浪费。为了回收利用废液中存在的大量锰(Mn)盐,可以将废液用作Mn前驱体来制备MnO2。因此,本发明使用这种既环保又节约的方法合成MnO2,用于修饰电极制备非酶催化H2O2电化学传感器。
碳基纳米材料(例如石墨烯纳米片(GNP)、碳纳米管(CNT)、GO等)由于其较强的吸附能力、高导电性和巨大比表面积而被广泛用于电分析化学领域。特别地,因多壁碳纳米管(MWCNTs)具有优异的电导率、极高的机械强度、出色的电催化活性和较大的比表面积而被广泛用于修饰电极制作电化学传感器。然而,MWCNTs在水中的分散性较差,会产生严重的团聚,导致影响了电化学性能(如识别性能、稳定性和重现性)。为了解决这些问题,利用MWCNTs表面和末端含有丰富的含氧官能团这一特点,经过氧化处理后可得到分散性良好的氧化碳纳米管(Ox-MWCNTs),这为制造具有更高稳定性的基于碳纳米管的新型电化学非酶催化H2O2传感器提供了更大的便利。
目前研究表明,酶催化H2O2传感器虽然具有相对较高的灵敏度,但面临诸如纯化过程复杂、内在不稳定性、操作条件严格(包括合适的温度和pH值)以及高昂的成本等许多难以解决的挑战,都限制了酶催化H2O2传感器在实践中的广泛应用。故而,非酶催化H2O2传感器得到了快速发展。将碳基纳米材料、导电聚合物、金属氧化物及贵金属纳米材料等运用于玻碳电极表面的修饰,可有效提高修饰电极对H2O2的催化能力。为了进一步改善电极催化H2O2的稳定性和灵敏性,继续开发修饰材料对玻碳电极的修饰仍是十分重要的。
发明内容
本发明提供了一种二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极及其应用,其目的是为了实现对牛奶实际样品中过氧化氢的高灵敏、低成本、高稳定性及选择性非酶催化。
为了达到上述目的,本发明的实施例提供了一种二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极,包括玻碳电极及包覆在玻碳电极表面的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料涂层。
本发明的实施例还提供了一种二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备方法,包括如下步骤:
步骤1,回收氧化石墨烯制备过程中产生的废液,制备得到爆米花状二氧化锰微球分散液;
步骤2,将多壁碳纳米管氧化制备得到氧化多壁碳纳米管;
步骤3,将所述爆米花状二氧化锰微球分散液和所述氧化多壁碳纳米管通过自组装方式得到二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液;
步骤4,将二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液滴涂在玻碳电极表面,晾干后得到二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极。
优选地,所述爆米花状二氧化锰微球分散液的制备过程如下:
步骤11,收集氧化石墨烯制备过程中产生的废液,加入0.5~5.0M氢氧化钠溶液,将pH值调节为9.0~12.0使废液中的锰离子沉淀下来;
步骤12,将沉淀物进行抽滤,并用超纯水洗涤3到5次去除杂质离子,然后分散于超纯水中,然后在-50℃下真空冷冻干燥;
步骤13,取10.0~20.0mg冷冻干燥的样品分散于5.0~15.0mL超纯水中,然后转移至不锈钢高压反应釜中,在60~90℃的温度下,水热反应5~9h,待高压反应釜自然冷却至室温时取出产物;
步骤14,将产物在室温下静置10~15h,移取上清液,得到所述爆米花状二氧化锰微球分散液。
优选地,所述氧化多壁碳纳米管的制备过程如下:
步骤21,将10.0~30.0mL浓硝酸和0.2~0.5g高锰酸钾混合均匀后滴加至150.0~300.0mg多壁碳纳米管中,然后在80~120℃的温度下,油浴反应5~8h,待反应结束后,将混合物冷却至室温;
步骤22,加入过量的亚硫酸钠去除混合液中残留的高锰酸钾;
步骤23,将混合物进行抽滤,用超纯水洗涤至滤液为中性,得到黑色固体并将其分散于5.0~15.0mL超纯水中,然后在-50℃下真空冷冻干燥,得到氧化多壁碳纳米管。
优选地,所述步骤3中,二氧化锰与氧化多壁碳纳米管的物质的量比为1:1~3。
优选地,所述步骤3中,自组装方式为超声自组装,或者水热自组装。
优选地,所述步骤4中,滴涂二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液的体积用量为2~10μL。
优选地,所述步骤4中,晾干采用空气、氮气流、红外灯中的一种或几种方式,晾干的时间为5~60min。
本发明的实施例还提供了一种非酶催化实际样品中过氧化氢方法,将二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极作为工作电极,铂丝电极为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极,在电解质溶液中检测过氧化氢,并对实际样品进行分析。
优选地,所述电解质溶液为无机盐、无机酸缓冲溶液中的一种或几种溶液。
本发明的上述方案有如下的有益效果:本发明的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极利用二氧化锰的催化活性和氧化多壁碳纳米管含有大比表面积和高电子迁移率,实现对牛奶实际样品中过氧化氢的非酶催化。同时,基于两者材料之间的协同效应后使得制备的玻碳电极电化学非酶催化过氧化氢时,可获得稳定的催化电流响应,显示出对过氧化氢良好的催化应用前景。所采用的二氧化锰和氧化多壁碳纳米管材料具有无毒、绿色环保、稳定性好等优势,有望成为广泛应用的电极修饰材料。
附图说明
图1为本发明中爆米花状二氧化锰微球A和二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料B的扫描电镜图。
图2为本发明中爆米花状二氧化锰微球A和二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料B的X-射线衍射图。
图3为裸电极、氧化碳纳米管修饰玻碳电极、二氧化锰修饰玻碳电极和二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极对过氧化氢的循环伏安对比图A以及本发明的电极催化不同浓度过氧化氢的循环伏安图B。
图4为本发明的电极连续催化不同浓度过氧化氢的安培电流-时间曲线;B为A的高分辨图。
图5为本明的电极测定牛奶样品中的过氧化氢。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
本实施例中的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备步骤如下:
收集氧化石墨烯制备过程中产生的废液,将1.0M氢氧化钠溶液加入到废液中,调节pH值为10从而使废液中的锰离子沉淀下来;然后对沉淀物进行抽滤,并用超纯水洗涤3次去除杂质离子,收集残留物,将其分散于10.0mL超纯水中,在-50℃下真空冷冻干燥;称取15.0mg冷冻干燥的样品分散于10.0mL超纯水中,然后转移至不锈钢高压反应釜中,80℃下水热反应5h后,待高压反应釜自然冷却至室温时取出产物;最后将产物在室温下静置12h,小心移取上清液,即得爆米花状二氧化锰微球分散液。
将20.0mL浓硝酸和0.5g高锰酸钾混合均匀后滴加至装有200.0mg原始多壁碳纳米管的圆底烧瓶中,在100℃下进行油浴反应7h,待反应结束后,将混合物冷却至室温;然后将混合物转移至烧杯中,加入过量的亚硫酸钠去除混合液中残留的高锰酸钾;再对混合物进行抽滤,用超纯水洗涤至滤液为中性,收集滤纸上残留的黑色固体,将其分散于5.0mL超纯水中,在-50℃下真空冷冻干燥,最后获得氧化多壁碳纳米管。
选用二氧化锰与氧化多壁碳纳米管的物质的量比为1:1.5,通过超声自组装6min,得到二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液。
移取二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液8μL滴涂在玻碳电极表面,在空气中晾干60min,即得。
实施例2
本实施例中的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备步骤如下:
收集氧化石墨烯制备过程中产生的废液,将2.0M氢氧化钠溶液加入到废液中,调节pH值为11从而使废液中的锰离子沉淀下来;然后对沉淀物进行抽滤,并用超纯水洗涤5次去除杂质离子,收集残留物,将其分散于8.0mL超纯水中,在-50℃下真空冷冻干燥;称取10.0mg冷冻干燥的样品分散于10.0mL超纯水中,然后转移至不锈钢高压反应釜中,80℃下水热反应6.5h后,待高压反应釜自然冷却至室温时取出产物;最后将产物在室温下静置10h,小心移取上清液,即得爆米花状二氧化锰微球分散液。
将15.0mL浓硝酸和0.2g高锰酸钾混合均匀后滴加至装有150.0mg原始多壁碳纳米管的圆底烧瓶中,在90℃下进行油浴反应8h,待反应结束后,将混合物冷却至室温;然后将混合物转移至烧杯中,加入过量的亚硫酸钠去除混合液中残留的高锰酸钾;再对混合物进行抽滤,用超纯水洗涤至滤液为中性,收集滤纸上残留的黑色固体,将其分散于8.0mL超纯水中,在-50℃下真空冷冻干燥,最后获得氧化多壁碳纳米管。
选用二氧化锰与氧化多壁碳纳米管的物质的量比为1:2.5,在80℃下水热自组装1h,得到二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液。
移取二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液5μL滴涂在玻碳电极表面,在氮气流中晾干10min,即得。
实施例3
本实施例中的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备步骤如下:
收集氧化石墨烯制备过程中产生的废液,将5.0M氢氧化钠溶液加入到废液中,调节pH值为11从而使废液中的锰离子沉淀下来;然后对沉淀物进行抽滤,并用超纯水洗涤4次去除杂质离子,收集残留物,将其分散于5.0mL超纯水中,在-50℃下真空冷冻干燥;称取20.0mg冷冻干燥的样品分散于10.0mL超纯水中,然后转移至不锈钢高压反应釜中,70℃下水热反应9h后,待高压反应釜自然冷却至室温时取出产物;最后将产物在室温下静置15h,小心移取上清液,即得爆米花状二氧化锰微球分散液。
将20.0mL浓硝酸和0.3g高锰酸钾混合均匀后滴加至装有250.0mg原始多壁碳纳米管的圆底烧瓶中,在120℃下进行油浴反应5h,待反应结束后,将混合物冷却至室温;然后将混合物转移至烧杯中,加入过量的亚硫酸钠去除混合液中残留的高锰酸钾;再对混合物进行抽滤,用超纯水洗涤至滤液为中性,收集滤纸上残留的黑色固体,将其分散于10.0mL超纯水中,在-50℃下真空冷冻干燥,最后获得氧化多壁碳纳米管。
选用二氧化锰与氧化多壁碳纳米管的物质的量比为1:3,通过超声自组装10min,得到二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液。
移取二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液10μL滴涂在玻碳电极表面,在红外灯中晾干20min,即得。
实施例4
本实施例中的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备步骤如下:
收集氧化石墨烯制备过程中产生的废液,将1.0M氢氧化钠溶液加入到废液中,调节pH值为12从而使废液中的锰离子沉淀下来;然后对沉淀物进行抽滤,并用超纯水洗涤5次去除杂质离子,收集残留物,将其分散于6.0mL超纯水中,在-50℃下真空冷冻干燥;称取10mg冷冻干燥的样品分散于10.0mL超纯水中,然后转移至不锈钢高压反应釜中,80℃下水热反应6h后,待高压反应釜自然冷却至室温时取出产物;最后将产物在室温下静置12h,小心移取上清液,即得爆米花状二氧化锰微球分散液。
将30.0mL浓硝酸和0.5g高锰酸钾混合均匀后滴加至装有300.0mg原始多壁碳纳米管的圆底烧瓶中,在100℃下进行油浴反应8h,待反应结束后,将混合物冷却至室温;然后将混合物转移至烧杯中,加入过量的亚硫酸钠去除混合液中残留的高锰酸钾;再对混合物进行抽滤,用超纯水洗涤至滤液为中性,收集滤纸上残留的黑色固体,将其分散于6.0mL超纯水中,在-50℃下真空冷冻干燥,最后获得氧化多壁碳纳米管。
选用二氧化锰与氧化多壁碳纳米管的物质的量比为1:2,在60℃下水热自组装2h,得到二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液。
移取二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液6μL滴涂在玻碳电极表面,在空气中晾干30min,即得。
实施例5
将实施例1得到的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极用于检测:
材料表征图和检测结果参见附图,图1为爆米花状MnO2微球和MnO2-Ox-MWCNTs复合材料的扫描电镜图,由图1A可见,MnO2呈现出松散的爆米花状微球形貌,且MnO2微球是由弯曲、不规则、分层褶皱的纳米片构成的。如图1B所示,MnO2微球均匀地分散在Ox-MWCNTs表面上,由于两者的协同作用形成了良好的网状结构。网状结构的MnO2-Ox-MWCNTs复合材料可以改善修饰电极的有效表面积,这有利于电极/分析物之间的相互作用以及改善其对H2O2的电催化活性。
以实施例1所制备的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极为工作电极,铂丝电极为对电极,Ag/AgCl为参比电极,在浓度为0.1M,pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液中催化过氧化氢,选用全脂牛奶和脱脂牛奶作为实际样品进行分析。
图2为MnO2和MnO2-Ox-MWCNTs复合材料的X-射线衍射图。如图中A所示,将18.95°、35.41°、38.05°和42.10°的四个特征衍射峰分别对应于MnO2四方相平面的(200)、(400)、(311)和(301)晶面(JCPDS72-1982),这表明回收利用氧化石墨烯的废液成功制备出了MnO2。如图中B所示,在2θ=26.04°处出现的新衍射峰对应于石墨碳的(002)晶面,这表明MnO2-Ox-MWCNTs复合材料中存在MWCNTs。
通过循环伏安法(CV)分别使用裸电极(bareGCE)、氧化碳纳米管修饰玻碳电极(Ox-MWCNTs/GCE)、二氧化锰修饰玻碳电极(MnO2/GCE)和二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极(MnO2-Ox-MWCNTs/GCE)对过氧化氢(H2O2)的电化学催化性能对比。如图3A所示,bareGCE、Ox-MWCNTs/GCE、MnO2/GCE和MnO2-Ox-MWCNTs/GCE对2.0mM的H2O2电流响应逐渐增加。然而从图3A的插图可以观察到,与bareGCE相比,MnO2/GCE表现出对H2O2较好电催化活性,而电流响应增加的不明显可能是由于MnO2的导电性差导致。此外,由于Ox-MWCNTs具有较高的电导率,Ox-MWCNTs/GCE对H2O2的电流响应比MnO2/GCE有显著增加。然而,MnO2-Ox-MWCNTs/GCE对H2O2的电流响应比bareGCE高了219倍,这表明MnO2优异催化活性和Ox-MWCNTs的高导电性以及两者之间的协同作用促进了分析物的电催化活性。有趣的是,除了MnO2-Ox-MWCNTs/GCE对H2O2的氧化峰电流明显增加外,其氧化峰电位也发生了负迁移,再次表明MnO2-Ox-MWCNTs/GCE对H2O2的电催化活性比MnO2/GCE和Ox-MWCNTs/GCE较好。如图3B所示,可以清晰地看到MnO2-Ox-MWCNTs/GCE处的氧化峰电流随着H2O2浓度在0.5-3.0mM范围内的增加而线性增加,其测定系数R2为0.99366,说明MnO2-Ox-MWCNTs/GCE可适用于对H2O2的催化研究。
图4为MnO2-Ox-MWCNTs电极连续催化不同浓度过氧化氢的安培电流-时间曲线。如图4所示,施加0.60V的电势,在0.1M磷酸盐缓冲溶液(pH=7.5)中不断添加H2O2,测定MnO2-Ox-MWCNTs/GCE连续催化浓度为0.8~1000μM的H2O2的安培电流响应。可见,H2O2浓度与电流呈现良好的线性关系,其线性回归方程:Ipa(μA)=0.0288C(μM)-0.0174(R2=0.99905)。根据3倍信噪比计算出检出限(LOD)为0.38μM。由此可见,MnO2-Ox-MWCNTs/GCE催化H2O2具有较宽的线性范围和较低的LOD,显示了其作为一种非酶催化H2O2传感器的潜在应用前景。
实际样品比如牛奶,通常允许将痕量的H2O2添加到牛奶中以抑制微生物生长和牛奶变质。为了验证MnO2-Ox-MWCNTs/GCE的潜在应用,本发明对全脂牛奶和脱脂牛奶中H2O2的浓度进行了监测。采用安培电流-时间法,利用加标回收法测定MnO2-Ox-MWCNTs/GCE对全脂牛奶和脱脂牛奶中H2O2的含量。如图5所示,测定全脂牛奶和脱脂牛奶中H2O2的相对标准偏差(RSD)和回收率分别为2.90-6.62%和96.03-100.30%,该分析结果可靠。
本发明制备的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极非酶催化过氧化氢的方法方便、高效、准确、费用低、环保,可简便、快速地定性定量分析过氧化氢。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极,其特征在于,包括玻碳电极及包覆在玻碳电极表面的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料涂层。
2.一种根据权利要求1所述的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,回收氧化石墨烯制备过程中产生的废液,制备得到爆米花状二氧化锰微球分散液;
步骤2,将多壁碳纳米管氧化制备得到氧化多壁碳纳米管;
步骤3,将所述爆米花状二氧化锰微球分散液和所述氧化多壁碳纳米管通过自组装方式得到二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液;
步骤4,将二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液滴涂在玻碳电极表面,晾干后得到二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极。
3.根据权利要求2所述的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备方法,其特征在于,所述爆米花状二氧化锰微球分散液的制备过程如下:
步骤11,收集氧化石墨烯制备过程中产生的废液,加入0.5~5.0M氢氧化钠溶液,将pH值调节为9.0~12.0使废液中的锰离子沉淀下来;
步骤12,将沉淀物进行抽滤,并用超纯水洗涤3到5次去除杂质离子,然后分散于超纯水中,然后在-50℃下真空冷冻干燥;
步骤13,取10.0~20.0mg冷冻干燥的样品分散于5.0~15.0mL超纯水中,然后转移至不锈钢高压反应釜中,在60~90℃的温度下,水热反应5~9h,待高压反应釜自然冷却至室温时取出产物;
步骤14,将产物在室温下静置10~15h,移取上清液,得到所述爆米花状二氧化锰微球分散液。
4.根据权利要求3所述的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备方法,其特征在于,所述氧化多壁碳纳米管的制备过程如下:
步骤21,将10.0~30.0mL浓硝酸和0.2~0.5g高锰酸钾混合均匀后滴加至150.0~300.0mg多壁碳纳米管中,然后在80~120℃的温度下,油浴反应5~8h,待反应结束后,将混合物冷却至室温;
步骤22,加入过量的亚硫酸钠去除混合液中残留的高锰酸钾;
步骤23,将混合物进行抽滤,用超纯水洗涤至滤液为中性,得到黑色固体并将其分散于5.0~15.0mL超纯水中,然后在-50℃下真空冷冻干燥,得到氧化多壁碳纳米管。
5.根据权利要求4所述的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备方法,其特征在于,所述步骤3中,二氧化锰与氧化多壁碳纳米管的物质的量比为1:1~3。
6.根据权利要求5所述的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备方法,其特征在于,所述步骤3中,自组装方式为超声自组装,或者水热自组装。
7.根据权利要求6所述的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备方法,其特征在于,所述步骤4中,滴涂二氧化锰-氧化多壁碳纳米管复合材料分散液的体积用量为2~10μL。
8.根据权利要求7所述的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极的制备方法,其特征在于,所述步骤4中,晾干采用空气、氮气流、红外灯中的一种或几种方式,晾干的时间为5~60min。
9.一种非酶催化实际样品中过氧化氢方法,其特征在于,将如权利要求2-8的方法制备的二氧化锰-氧化多壁碳纳米管修饰玻碳电极作为工作电极,铂丝电极为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极,在电解质溶液中检测过氧化氢,并对实际样品进行分析。
10.根据权利要求9所述方法,其特征在于,所述电解质溶液为无机盐、无机酸缓冲溶液中的一种或几种溶液。
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