深圳大学彭孝军院士团队AM:生物质基荧光木-Cu²⁺高效去除与太阳能净水的协同创新

针对水体重金属污染与传统处理技术灵敏度低、易产生二次污染的问题，该研究以农林废弃物木聚糖为碳源合成荧光碳点（CDs），将其与 ZIF-8 复合后通过静电作用及螯合作用固定于脱木质素木材（DW），制备双功能复合材料 DRZ-CDs-DW，构建 “检测 - 吸附 - 转化 - 回用” 闭环系统。该材料对 Cu²⁺检测限达 2.3 nM，吸附容量为 298.72 mg/g；吸附饱和后经原位硫化转化为光热蒸发器 DRZ-CDs-DW-CuS，在 1.0 kW・m⁻² 光照下蒸发速率达 3.54 kg・m⁻²・h⁻¹，脱盐后产水符合灌溉及饮用标准。该研究实现了生物质资源高值化利用，为重金属污染治理与水资源循环提供了绿色高效的技术方案。

摘要：

水生环境中的重金属污染对全球生态安全构成了严重威胁。尽管诸如荧光探针等传统方法已被研究用于检测，但由于灵敏度有限和可重复使用性差等固有缺陷，这些方法在实际应用中仍受到阻碍。在此，我们介绍了一种“活体”复合材料，通过将比率型荧光金属 - 有机框架材料（MOFs）集成到木材的天然微通道中制成，为环境修复设定了新的标准。具体而言，ZIF - 8 杂化荧光碳点（DRZ - CDs）通过静电相互作用和螯合作用牢固地固定在脱木质素木材（DW）基质上，形成了一种双功能材料（DRZ - CDs - DW）。该复合材料表现出良好的性能，对铜离子（Cu²⁺）的吸附容量高达 298.72 毫克/克，检测限低至 2.3 纳摩尔。除了具有高去除效率外，我们还进一步展示了一种变革性的“变废为宝”策略，即用过的吸附剂（DRZ - CDs - DW + Cu²⁺）通过原位硫化转变为光热蒸发器（DRZ - CDs - DW - CuS）。所得系统实现了每平方米每小时 3.54 千克的蒸发速率，可产生净化水，适用于植物灌溉等实际用途。总之，通过有效结合荧光碳点（CDs）功能化、木材结构工程和太阳能驱动的界面蒸发，这项工作实现了环境清理和资源循环利用的协同结合。

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图1.用于铜离子（Cu2+）传感、去除并将其转化为用于清洁水和农作物灌溉的光热蒸发器的多功能系统工作流程

图2.D型碳点的合成与结构表征。(a) 木聚糖衍生的D型碳点水热合成示意图。(b) 所制备D型碳点的透射电子显微镜（TEM）图像，(c) 粒径分布直方图，以及(d) 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。(e) X射线光电子能谱（XPS）全谱以及(f) C1s、(g) N1s和(h) O1s的相应高分辨谱图。

图3.D - CD对Cu²⁺和其他物质的荧光响应及选择性。(a) D - CD对各种物质的选择性（1：DR - CD，2：K，3：Ca²⁺，4：Co²⁺，5：Na，6：Mg²⁺，7：Fe²⁺，8：Al³⁺，9：Ni²⁺，10：Hg²⁺，11：Mn²⁺，12：Zn²⁺，13：Pb²⁺，14：Fe³⁺，15：Cu²⁺，16：Cr³⁺，17：同型半胱氨酸（Hcy），18：甘氨酸（Gly），19：半胱氨酸（Cys），20：CN⁻，21：ACO⁻，22：HPO₄²⁻，23：NO₂⁻，24：SCN⁻，25：HS⁻）。(b) 随着Cu²⁺浓度增加，D - CD的荧光滴定光谱。插图：可见光和紫外光照射下，添加Cu²⁺前后D - CD的照片。(c) 斯特恩 - 福尔默图（F₀/F）与Cu²⁺浓度的线性拟合。(d) 在存在竞争物质的情况下，D - CD + Cu²⁺体系的荧光响应（1：DR - CD，2：K，3：Ca²⁺，4：Co²⁺，5：Na，6：Mg²⁺，7：Fe²⁺，8：Al³⁺，9：Ni²⁺，10：Hg²⁺，11：Mn²⁺，12：Zn²⁺，13：Pb²⁺，14：Fe³⁺，15：Cu²⁺，16：Cr³⁺，17：同型半胱氨酸（Hcy），18：甘氨酸（Gly），19：半胱氨酸（Cys），20：CN⁻，21：ACO⁻，22：HPO₄²⁻，23：NO₂⁻，24：SCN⁻，25：HS⁻）。(e, f) D - CD和D - CD + Cu²⁺在(e) 25°C和(f) 37°C下F₀/F的时间依赖性稳定性。数据以均值±标准差表示（n = 3）。

图4.DR - CDs的合成及荧光传感性能。(a) 通过酰胺化反应制备比率型荧光探针DR - CDs的示意图。(b) 随着Cu²⁺浓度增加，罗丹明B（Rh - B）的荧光滴定光谱。插图：添加Cu²⁺前后Rh - B的荧光图像。(c) 显示Rh - B的比率（F₀/Fₘₐₓ）与Cu²⁺浓度关系的校准曲线，在低浓度范围内进行线性拟合。(d) DR - CDs在不同激发波长下的荧光发射光谱。(e) 随着Cu²⁺浓度增加，DR - CDs的荧光滴定。插图：添加Cu²⁺前后对应的荧光图像。(f) DR - CDs对Cu²⁺的比率响应（F₅₆₇ nm/F₄₃₈ nm），在低浓度线性区域进行回归。(g) 添加Cu²⁺前后DR - CDs的荧光强度比率（F₅₆₇ nm/F₄₃₈ nm）的比较（1：DR - CDs，2：K，3：Ca²⁺，4：Co²⁺，5：Na，6：Mg²⁺，7：Fe²⁺，8：Al³⁺，9：Ni²⁺，10：Hg²⁺，11：Mn²⁺，12：Zn²⁺，13：Pb²⁺，14：Fe³⁺，15：Cu²⁺，16：Cr³⁺，17：同型半胱氨酸（Hcy），18：甘氨酸（Gly），19：半胱氨酸（Cys），20：CN⁻，21：ACO⁻，22：HPO₄²⁻，23：NO₂⁻，24：SCN⁻，25：HS⁻）。数据以平均值 ± 标准差表示（n = 3）。

图5.荧光木材（DRZ - DW）的合成与结构表征。(a) DRZ - DW制备过程的示意图。(b) 天然轻木（左）和脱木质素木材（DW，中）的数码照片，以及DW结构的扫描电子显微镜（SEM）显微照片（右）。(d) DRZ - DW在日光（左）和紫外光（中）下的图像，以及对应的SEM形貌图（右）。(e) DRZ - DW的能谱（EDS）元素分布图。(f) 确认元素组成的X射线光电子能谱（XPS）全谱图。(g - i) （g）O1s、（h）C1s和（i）Zn2p区域的高分辨率XPS光谱图。

图6.DRZ-CDs-DW用于去除Cu²⁺的合成及吸附性能。(a) 用于吸附Cu²⁺的DRZ-CDs-DW制备过程示意图。(b) 溶液pH对Cu²⁺去除效率和吸附容量的影响。(c) Cu²⁺的吸附动力学（插图：准二级动力学拟合）。(d) 不同初始Cu²⁺浓度和温度下的平衡吸附容量。(e) Cu²⁺吸附的朗缪尔等温线模型拟合。(f) DRZ-CDs-DW在连续八次吸附 - 解吸循环中的可使用重复性。(g) 对Cr³⁺、Hg²⁺和Cu²⁺吸附容量的比较。(h) 不同初始Cu²⁺浓度下的去除效率。(i) 随时间变化的去除效率曲线。数据以均值±标准差表示（n = 3）。

图7.DRZ - CDs - DW - CuS复合材料的制备及其太阳能蒸发性能。(a) DRZ - CDs - DW - CuS太阳能蒸发器制备过程的示意图。(b) DRZ - CDs - DW - CuS的扫描电子显微镜（SEM）图像及相应的能谱（EDS）元素映射图。(c) 高效太阳能驱动界面蒸发系统的工作机制。(d) 潮湿条件下DRZ - CDs - DW - CuS随时间变化的红外热成像图。(e) DRZ - CDs - DW - CuS、DRZ - CDs - DW + Cu²⁺和原始去离子水（DW）的平均表面温度对比。(f) DRZ - CDs - DW - CuS、DRZ - CDs - DW + Cu²⁺和去离子水随时间的蒸发质量损失。(g) 原始黄海海水和经DRZ - CDs - DW - CuS系统净化后水的电导率测量结果。(h) DRZ - CDs - DW - CuS表面原位盐溶解过程的可视化演示。

图8.基于DRZ - CDs - DW - CuS的太阳能海水淡化 - 种植系统。(a) 带有丙烯酸蒸发器、卷心菜植株和DRZ - CDs - DW - CuS材料的室内装置示意图。(b) 用海水、地下水和该系统产出的淡化水灌溉后绿豆的生长情况。(c) 室外系统设计示意图。DRZ - CDs - DW - CuS材料漂浮在湖面上。(d) 绿豆植物毒性测试，以评估DRZ - CDs - DW - CuS的环境安全性。

结论：

本研究以农林废弃物提取的木聚糖为碳源合成碳点（CDs），并采用天然木材为基质构建复合材料。该策略的核心优势在于其卓越的绿色经济性。首先，实现了低成本生物质资源的高值化利用，原材料价格低廉且可再生。其次，采用以水为溶剂的合成工艺，避免使用有毒有机试剂，能耗更低。这了形成一个从“废弃物”到“净水材料”的可持续闭环系统。具体而言，开发了一套针对重金属离子实现完整“检测 - 吸附 - 转化 - 再利用”循环的集成式水处理系统。核心创新点在于多功能木聚糖衍生比率型碳点与ZIF - 8在可持续木材基质内的原位共组装，构建了一个协同、可持续的修复平台。

检测：DRZ - CDs - DW对Cu²⁺表现出极高的灵敏度，检测限低至2.3 nM。该数值比世界卫生组织（WHO）规定的工业废水标准低一个数量级，可实现高精度的环境监测。

吸附：木材基体的分级通道，结合ZIF - 8与碳点之间的协同配位作用，有利于高效吸附Cu²⁺。该材料的饱和吸附容量高达298.7 mg·g⁻¹，跻身性能最佳的生物基吸附剂之列。

转化：通过硫化作用，吸附的Cu²⁺在原位催化转化为CuS纳米簇。这一转化过程将废旧吸附剂重新利用，制成高效太阳能蒸发器，其产纯水速率达3.5 kg·m⁻²·h⁻¹，太阳能 - 蒸汽转换效率超过95%。所产水质符合所有饮用水标准。复合材料优异的蒸发性能归因于其各组分的功能互补和积极的协同效应（表4）。

再利用：构建了一个具有附加值的“太阳能海水淡化 - 无土栽培”系统。所产清洁水用于水培生菜种植，从而形成闭环，打造了“重金属回收 - 清洁水生产 - 农业”的可持续循环。

综上所述，本研究建立了一种应对重金属污染并同时实现资源回收的“零废弃物”模式。在降低环境修复成本的同时，也为农林废弃物的资源化利用提供了创新途径，展现出重要的实际应用潜力和良好的成本效益。展望未来，该平台可拓展至高盐度工业废水和酸性矿山排水等复杂场景。未来的工作可聚焦于开发模块化、可组装的木材核心净化塔，并可能与物联网（IoT）微传感器和人工智能（AI）集成，实现远程实时水质诊断和自主净化控制。

DOI: 10.1002/adma.202522271