重金属离子污染不仅影响了地球生态圈的稳定性,并且给人类的健康带来了重大的威胁。如何通过简便的方法实现对痕量重金属离子的快速,高灵敏检测对保护生态环境意义重大。纳米尺寸的过渡金属化合物由于具有很强的尺寸效应,存在未填满的价电子层和可调制的活性位点,因此具有较好的催化性能,在催化,电容器,电池等领域有着非常广泛的应用。此外,这些过渡金属化合物通过掺杂,与碳基材料结合等等改性手段又提高了材料本身的电化学性能,为其对重金属离子的高灵敏检测奠定了基础。本论文使用过渡金属化合物作为催化剂,或结合石墨烯作为衬底,或借助掺杂原子等手段改善材料的本征性能,以增加其对重金属离子的结合能力,并利用X射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论计算（DFT）从实验和模拟的角度对微观尺度的电子特性进行探究,揭示了材料的不同改性手段对提升重金属离子检测性能的机理所在。本论文的研究内容如下所示:（1）利用25%NH3·H2O作为表面活性剂来限制晶面生长,通过简单的溶剂热法,合成了三种不同形貌的氮掺杂还原氧化石墨烯上的Co3O4（Co3O4/N-RGO）,通过高分辨透射电镜（HRTEM）对晶格间距进行测量,确定了还原氧化石墨烯上不同配位环境的Co3O4的暴露晶面,并进一步确定了表面原子价态。结果表明,三种Co3O4/N-RGO的表层Co3+和Co2+比例不同,其中,Co3O4纳米多面体与石墨烯的复合物（Co3O4-NP/N-RGO）的表层Co3+离子含量最高。此外三种材料构筑的玻碳电极对Hg2+的灵敏度具有较大的差异,暴露（112）面的Co3O4-NP/N-RGO具有最高的SWASV响应灵敏度,其次为暴露（111）面的Co3O4纳米截角八面体与石墨烯的复合物（Co3O4-NTO/N-RGO）,而（001）面暴露的Co3O4纳米立方体与石墨烯的复合物（Co3O4-NC/N-RGO）对Hg2+的检测性能较差。此外,在天然水以及人体血清中环境中,Co3O4-NP/N-RGO也表现出了不俗的信号强度。为了探究形成这种差异性的机理,我们用XPS以及DFT计算对三种不同的Co3O4/N-RGO在吸附前后的电子转移以及轨道耦合强度等进行了揭示,我们发现Co与Hg的结合造成XPS峰的位移,这揭示了化学吸附的存在。同时Co3+与Hg2+的结合在电子态密度图上形成新峰,表明其耦合强度较大,而这个现象在其他两种材料上表现得并不明显。且Co3O4-NP/N-RGO中的Co3+与Hg2+的结合过程与其他两种材料相比,具有相对较大的吸附能和合适的键长,这有利于Hg2+在电极固液界面上的脱附和吸附。因此,我们认为Co3+为实现Hg2+高效检测的活性位点。（2）使用CoCl2作为掺杂剂,形成Co掺杂的Mo3O10（C6H5NH3）22H2O前驱体,并将其置于管式炉下在Ar2氛围下煅烧,形成直径约为200 nm的均匀Co掺杂的Mo2C纳米棒（Co-Mo2C）。为了探究掺杂对体系吸附性能的影响,我们同时制备了对比材料Mo2C。我们将这两种材料滴涂在电极表面构筑敏感界面,通过三电极系统研究其对Pb2+,Cu2+,Zn2+和Hg2+的SWASV响应曲线。结果表明,相对于Mo2C来说,Co-Mo2C修饰的玻碳电极对Pb2+具有优异的电化学传感效率,灵敏度高达129.17μM/μA,且在不同的重金属离子中,Co-Mo2C对Pb2+的传感性能最佳。我们通过XPS证实了 Co-Mo2C得Mo在与Pb2+的吸附反应中失去更多的电子,峰位移动较Mo2C大。此外,DFT计算证明了 Co的掺杂促进了 Mo原子的活化,且Co相对于掺杂前的Mo来说,周围聚集了更多的电子,为重金属离子的吸附提供了很好的结合位点。此外,对于不同的重金属离子,我们发现Co-Pb具有合适的键长和较大的吸附能,且Pb与Co的各个轨道都具有一定的耦合作用,而对于其他离子则是轨道的部分耦合或者并没有明显的耦合作用。因此,我们认为Co-Mo2C对于Pb2+的高灵敏传感主要是由于Co与Pb的较强耦合作用造成的。（3）使用简单的溶剂热法制备了还原氧化石墨烯/二硫化钨纳米膜（GWS2）,并制备了对比材料二硫化钨（WS2）纳米膜,使用GWS2和WS2构筑电化学敏感界面来探究它们对Pb2+的检测性能。结果表明,GWS2膜具有平整均匀的外观,对Pb的检测具有108.01μM/μA的灵敏度,检测限约为0.041 μM,远远高于WS2的检测性能。此外,我们使用XPS和DFT探究其构效关系,我们发现相对于WS2来说,GWS2的S在吸附Pb2+后结合能具有较大的移动,表明其电子具有更多的转移。且DFT计算表GWS2的带隙相较于WS2有明显的降低,GWS2体系对Pb2+的界面吸附相对于WS2来说,具有较大的吸附能和合适的成键键长。此外C的引入为Pb提供了更多的电子,从电子态密度图上看C与Pb的耦合作用极其明显。而对于其他的重金属离子,GWS2则性能较差。经过比对,我们发现GWS2对Pb的优异传感性能是由于C和S对Pb的协同作用造成,而在其他的离子吸附体系中,S元素没有发现与重金属离子有明显耦合。因此,我们认为对于过渡金属化合物和碳基材料的结合体系来说,增强的电化学性能很可能是由于C原子层的引入导致了界面吸附的产生,以及C原子对重金属离子的供电子性能和过渡金属化合物的特异性吸附造成的。