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蒸发材料0213丨深圳大学Advanced Materials论文:用于重金属去除和太阳能净水的强效可持续生物质荧光木材

2026-06-17 18:04:05

蒸发材料

2025年12月，国际期刊《Advanced Materials》期刊在线发表了题为“Robust Sustainable Biomass Fluorescent Wood for Heavy Metal Removal and Solar Water Purification”的研究性论文。构建了一种“会发光、会吸附、还能回收再利用”的木基复合材料，实现 Cu²⁺实时检测+ 高容量去除，并把饱和吸附剂原位转化为 CuS 光热蒸发器，进一步完成太阳能产水与净化的闭环“废物—资源”路径。《Advanced Materials》是Elsevier旗下重要期刊，该期刊2025年发布的影响因子为26.8。

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水体中的重金属污染对全球生态安全构成严重威胁。尽管荧光探针等传统检测方法已被研究，但其实际应用仍受限于灵敏度不足和重复使用性差等固有缺陷。本研究通过将定量荧光金属-有机框架（MOFs）整合至木材天然微通道中，开发出一种“活体”复合材料，为环境修复树立了新标杆。具体而言，通过静电作用与螯合作用，将ZIF-8杂化荧光碳点（DRZ -CDs）牢固固定于脱木质素木材（DW）基质上，形成双功能材料（DRZ -CDs-DW）。该复合材料性能优异，铜离子吸附能力达298.72 mg/g，检测限低至2.3 nM。除高效去除外，我们还提出了一种“废物变资源”的创新策略：将耗尽的吸附剂（DRZ -CDs-DW+Cu²⁺）通过原位硫化转化为光热蒸发器（DRZ -CDs-DW-CuS）。该系统蒸发速率达3.54 kg·m⁻²·h⁻¹，可制备纯净水，适用于植物灌溉等实际用途。综上所述，本研究通过有效整合荧光碳点（CDs）功能化、木材结构工程与太阳能驱动界面蒸发技术，实现了环境净化与资源升级的协同组合。

该研究聚焦于当前水环境治理面临的“双重矛盾”：一方面，工业与农业排放导致的重金属（以 Cu²⁺ 为代表）污染具有毒性强、迁移性高和难以降解等特点，传统处理往往依赖检测、吸附/沉淀与末端处置等分散步骤，不仅流程割裂、成本较高，而且吸附饱和后的固废处置（填埋/焚烧）仍可能引发二次污染与资源浪费；另一方面，人口增长与气候变化加剧淡水短缺，使得低能耗的水净化与再生水回用需求持续上升。在这一背景下，作者提出需要面向真实复杂水体构建“可实时指示污染—高效去除—可再生回收”的一体化闭环材料体系，即将污染物检测、捕获与材料再利用耦合，通过可持续生物质平台实现污染治理与太阳能驱动净水协同，从而同时缓解水质安全与水资源短缺压力。

图1 多功能系统的工作流程：用于Cu²⁺传感、去除及再利用，最终转化为光热蒸发器以实现清洁水和作物灌溉。

图2 D-CDs的合成与结构表征。(a)木聚糖衍生D-CDs水热合成示意图。(b)透射电子显微镜（TEM）图像。(c)粒径分布直方图。(d)所制备D-CDs的 HRTEM 图像。(e) XPS 谱图及(f)C1s、(g)N1s、(h)O1s的高分辨光谱。

图3 D-CDs对Cu²⁺及其他物质的荧光响应与选择性。(a) D-CDs对各种物质的选择性。(b) D-CDs在Cu²⁺浓度增加时的荧光滴定光谱。插图：可见光和紫外光照射下添加Cu²⁺前后D-CDs的照片。(c) Stern–Volmer图（F0/F）与Cu²⁺浓度的线性拟合。(d) D-CDs + Cu²⁺体系在竞争物质存在下的荧光响应。（e，f）D-CDs及D-CDs + Cu²⁺体系在(e) 25℃和(f) 37℃下的F0/F时间稳定性。数据以均值±标准差表示（n = 3）。

图4 DR-CDs的合成与荧光传感特性。(a) 通过酰胺化反应制备的比率荧光探针DR-CDs示意图。(b) 随Cu²⁺浓度增加的Rh-B荧光滴定光谱。插图：添加Cu²⁺前后RhB的荧光图像。(c) 校准曲线显示Rh-B的比率（F0/Fmax）与Cu²⁺浓度的关系，低浓度范围内进行线性拟合。(d) 不同激发波长下DR-CDs的荧光发射光谱。(e) 随Cu²⁺浓度增加的DR-CDs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），低浓度区域进行线性回归。(g) 添加Cu2+前后DR-CDs的荧光强度比（F567 nm/F438 nm）对比。数据以均值±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制备工艺示意图。(b) 天然巴尔萨木（左）与脱木质素木材（DW，中）的数码照片，及DW结构的SEM显微图像（右）。(c) DRZ -DW在阳光（左）与紫外光（中）下的显微图像，及对应的SEM形貌图（右）。(d) DRZ -DW的EDS元素分布图。(e) XPS 光谱确认元素组成。(f) (g) O1s、(h) C1s及(i) Zn2p区域的高分辨率 XPS 光谱。

图6 DRZ -CDs-DW的合成及吸附性能用于Cu²⁺去除。(a) DRZ -CDs-DW制备过程示意图，用于Cu²⁺吸附。(b) 溶液pH对Cu2+去除效率和吸附容量的影响。(c) Cu²⁺吸附动力学（插图：拟二级动力学拟合）。(d) 不同初始Cu2+浓度和温度下的平衡吸附容量。(e) Cu²⁺吸附的Langmuir等温线模型拟合。(f) DRZ -CDs-DW在连续八次吸附-脱附循环中的可重复性。(g) Cr³⁺、Hg²⁺和Cu²⁺的吸附容量比较。(h) 不同初始Cu²⁺浓度下的去除效率。(i) 时间依赖的去除效率曲线。数据以均值±标准差表示（n = 3）。

图7 DRZ -CDs-DW-CuS复合材料的制备与太阳能蒸发性能。(a) DRZ -CDs-DW-CuS太阳能蒸发器制备工艺示意图。(b) DRZ -CDs-DW-CuS的SEM显微照片及对应EDS元素分布图。(c) 高效太阳能驱动界面蒸发系统的工作原理。(d) 湿润条件下 DRZ -CDs-DW-CuS的时变红外热成像。(e) DRZ -CDs-DW-CuS、 DRZ -CDs-DW + Cu²⁺与原始DW平均表面温度对比。(f) DRZ -CDs-DW-CuS、 DRZ -CDs-DW + Cu2+及DW随时间的蒸发质量损失。(g) 原始黄海水与经 DRZ -CDs-DW-CuS系统净化水的电导率测量。(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-作物栽培系统。(a)室内装置示意图，包含丙烯酸蒸发器、甘蓝植株及 DRZ -CDs-DW-CuS材料。(b)绿豆经海水、地下水及系统淡化水灌溉后的生长情况。(c)室外系统设计示意图， DRZ -CDs-DW-CuS材料漂浮于湖面。(d)绿豆植物毒性试验，用于评估 DRZ -CDs-DW-CuS的环境安全性。

本研究以农林废弃物提取的木聚糖为碳源合成环糊精（CDs），并以天然木材为基体构建复合材料。该策略的核心优势在于其卓越的绿色经济特性：首先，实现了低成本生物质资源的高附加值利用，原材料既经济又可再生；其次，采用水作为溶剂的合成工艺避免了有毒有机试剂的使用，从而降低能耗。由此形成从“废弃物”到“净水材料”的可持续闭环系统。具体而言，开发出一套实现重金属离子全流程“检测-吸附-转化-再利用”循环的集成化水处理系统。核心创新在于将多功能木聚糖衍生的比率型环糊精与ZIF-8在可持续木材基质中实现原位共组装，构建协同可持续的修复平台。

Zhang, Y.G., Wu, Y., Chen, Zh,Y., et al. Robust Sustainable Biomass Fluorescent Wood for Heavy Metal Removal and Solar Water Purification. Advanced Materials, 2026, 0:e22271. https://doi.org/10.1002/adma.202522271

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资料整理：胡春丹（阳光净水）

编辑：环境与能源功能材料

胡春丹（阳光净水课题组）

【资料整理】胡春丹，资源与环境专业硕士研究生，研究方向为生物基环境功能材料在水污染控制工程领域应用。发表中科院TOP期刊论文1篇，2026年1月入选ESI高被引论文，参与市科技计划项目1项，获一等学业奖学金1次。

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壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料

2025年9月，国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器（CS-SIE）四种类型（水凝胶、气凝胶、海绵和膜）、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后，总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，最新中科院分区：8.50/二区TOP期刊。

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2024年06月08日，国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”综述论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述壳聚糖基异相催化剂在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本综述概述了金属氧化物/壳聚糖基复合材料（MOs@CSbMs）、金属硫化物/壳聚糖基复合材料（MSs@CSbMs）、铋基半导体/壳聚糖基复合材料（BibSCs@CSbMs）、金属有机框架/壳聚糖基复合材料（MOFs@CSbMs）和纳米零价金属/壳聚糖基复合材料（NZVMs@CSbMs）等5种Cat@CSbMs材料的制备策略及作为助催化剂、光催化剂、类芬顿试剂在处理各类废水中的应用进展。该综述不仅加深了对环境功能材料与环境污染控制作用的理解，也为未来Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和还原金属离子等相关领域的研究提供了参考和启示。该论文自2024年6月发表以来，现已被引用45次（Web of Science），国际引用占比73%，2025年5月起入选ESI高被引论文。