吸附材料0414丨深圳大学Advanced Materials:可持续生物质荧光木材用于重金属去除与太阳能水净化

2026年1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。构建一种木基多功能复合材料，实现Cu²⁺的荧光检测、吸附去除，以及吸附饱和后向光热蒸发器的转化，用于太阳能净水和灌溉。核心亮点在于提出了“检测—吸附—转化—再利用”的闭环水处理思路。《Advanced Materials》该期刊2025-2026最新影响因子为26.8，材料科学领域国际顶尖期刊，与Nature Materials、Nature Energy等并列为该领域最高影响力期刊之一。

水体环境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用于污染监测，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。本研究通过将定量配比的荧光金属有机框架（MOFs）嵌入木材天然微通道中，成功制备出一种“活体”复合材料，为环境修复领域树立了新标杆。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，展现出298.72 mg/g的卓越铜离子吸附容量及2.3 nM的低检测限。除高去除效率外，我们还创新性地提出“废物资源化”转化策略：将耗尽的吸附剂（DRZ -CDs-DW+Cu²⁺）通过原位硫化反应转化为光热蒸发器（DRZ -CDs-DW-CuS）。该系统蒸发速率达到3.54 kg⋅m⁻²⋅h⁻¹，可制备纯净水，适用于植物灌溉等实际应用场景。综上所述，本研究通过有效整合荧光碳点（CDs）功能化技术、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效应。

重金属污染和淡水短缺是两个并行的环境问题。传统荧光探针主要用于检测，实际应用受限于灵敏度、抗干扰性和可重复利用性。传统吸附剂虽然可以去除金属离子，但吸附饱和后如果焚烧或填埋，可能引起二次污染。太阳能界面蒸发是当前净水领域的重要方向，但大多数体系不具备污染识别和资源回收功能。因此，作者提出需要从传统线性处理方式转向“检测—去除—再利用”的闭环水处理系统。

/MOF组分的荧光木；中间部分展示了Cu²⁺ 的检测与吸附；下半部分展示了吸附饱和后经原位硫化转变为 DRZ-CDs-DW-CuS，并进一步用于太阳能蒸发和灌溉。

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供应与农作物灌溉。

TEM 显示 D-CDs 分散良好，平均粒径约 2.76 nm；HRTEM 显示晶格条纹间距 0.22 nm；XPS 表明材料含 C、O、N 元素。高分辨 C1s、N1s、O1s 进一步说明其表面有 C=O、C–O、C–N、氨基 N、石墨 N、吡咯 N 等结构。

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 扫描光谱及(f)C1s、(g)N1s、(h)O1s的对应高分辨率光谱。

多种金属离子和阴离子，发现只有 Cu²⁺引起显著荧光猝灭，说明选择性较好。随着 Cu²⁺浓度增加，荧光逐渐降低，并在一定范围内线性相关，检测限达到 4.5 nM。竞争实验和温度稳定性实验进一步说明其抗干扰性和稳定性较好。

图3 D-CDs对Cu²⁺及其他物质的荧光响应与选择性。(a) D-CDs对多种物质的选择性。(b) D-CDs在Cu²⁺浓度递增下的荧光滴定光谱。插图：可见光与紫外光照射下添加Cu²⁺前后D-CDs的显微照片。(c) Stern–Volmer图（F₀/F）与Cu²⁺浓度的线性拟合关系。(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。结果以均值±标准差表示（n = 3）。

图4 DR-CDs的合成及荧光传感特性。(a) 通过酰胺化反应制备比率荧光探针DR-CDs的示意图。(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) Rh-B的校准曲线显示比率(F₀/F_max)与Cu²⁺浓度的关系，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Cu²⁺浓度增加的DR-CDs荧光滴定实验。插图：添加Cu²⁺前后的对应荧光图像。(f) DR-CDs对Cu²⁺的比率响应(F_{567 nm}/F_{438 nm})，低浓度区域进行线性回归。(g) 添加Cu²⁺前后DR-CDs荧光强度比(F_{567 nm}/F_{438 nm})的比较

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在阳光照射（左）与紫外光照射（中）下的显微图像，附对应SEM形貌图（右）。(d) DRZ -DW的EDS元素分布图。(e) XPS 光谱图证实元素组成。(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Cu²⁺去除吸附性能。(a) DRZ -CDs-DW制备过程示意图，用于Cu²⁺吸附。(b) 溶液pH对Cu²⁺去除效率及吸附容量的影响。(c) Cu²⁺吸附动力学（插图：拟二级动力学拟合）。(d) 不同初始Cu²⁺浓度及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⁺与Cu²⁺吸附容量对比。(h) 不同初始Cu²⁺浓度下的去除效率。(i) 时间依赖性去除效率曲线。数据以均值±标准差表示（n=3）。

图7 DRZ-CDs-DW-CuS复合材料的制备工艺与太阳能蒸发性能。(a) DRZ -CDs-DW-CuS太阳能蒸发器制备流程示意图。(b) DRZ -CDs-DW-CuS材料的SEM显微图像及对应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) 湿润环境下 DRZ -CDs-DW-Cu材料随时间变化的红外热成像图像。(e) DRZ -CDs-DW-CuS、DRZ -CDs-DW+Cu²⁺复合材料与原始DW样品平均表面温度对比。(f) DRZ -CDs-DW-CuS、DRZ -CDs-DW+Cu²⁺复合材料及DW样品随时间推移的蒸发质量损失曲线。(g) 原始黄海水体与经 DRZ -CDs-DW-CuS系统净化水体的电导率测试结果。(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-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。