随着工业化、城市化以及农业活动的迅速发展，环境污染问题日益严重，尤其是水源和大气中重金属、有机化合物、染料等污染物的排放，给生态系统和人类健康带来巨大威胁。为应对这一挑战，科学界正在积极研发新型材料与技术，力求在污染控制与修复方面取得突破。而碳点作为新兴的纳米材料，凭借其独特的光学特性、生物相容性和环境友好性，成为了环境治理领域的研究热点。碳点在环境污染控制中的应用，虽然具有广泛潜力，但其在分散性、光吸收能力以及催化活性等方面仍存在一些局限性。因此，科研人员开始探索将碳点与其他功能性材料结合，制备碳点基复合材料。这些复合材料通过优化吸附能力、催化活性和稳定性，展现出更强的环境污染治理能力。
近日，长春理工大学侯娟副教授、孙晶教授和吉林大学丁兰教授研究团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Carbon dots-based hybrid materials: synthesis, properties and applications in environmental pollution control”的综述文章，深入探讨了碳点基复合材料的制备、性能调控及其在环境污染治理中的应用。
碳点基复合材料的分类与合成
CDs基复合材料的合成方法有多种，具体选择取决于所需的性能和应用。常见的合成策略包括：
共价功能化：通过化学反应（如酯化、酰胺化或点击化学）将CDs与其他材料结合，形成稳定的复合材料，赋予其定制功能。
物理包埋或分散：将CDs嵌入聚合物、金属或金属化合物基体中，常用的方法有电纺丝、溶液混合或溶胶-凝胶法，这些方法能够精确控制复合材料的结构和性能。
CDs基复合材料的制备可以通过以下三种方式：预合成CDs与其他基体混合；用预合成CDs作为原料制备基底材料；在基体材料中原位合成CDs。
随后，综述详细举例介绍了几种典型的碳点基复合材料的合成方法（Fig. 1-3），包括：金属-CDs复合材料，非金属无机-CDs复合材料，有机/CDs复合材料，MOFs/CDs复合材料，多组分/CDs复合材料。总的来说，CDs基复合材料具有多样的功能和广泛的应用前景。通过精确的合成策略，可以满足不同领域的需求，如光电、传感、环境治理和生物医学等。未来的研究将重点集中在合成控制、规模化生产和功能集成等方面。
碳点作为一种具有独特性能的多功能纳米材料，在各种应用中具有很高的吸引力。当与其他材料集成形成杂化结构时，CDs基杂化材料表现出协同特性，提高了其在污染物检测、吸附和降解方面的性能。论文探讨了CDs基杂化材料的一些关键性质的调节策略，包括：可调的尺寸，优异的光学性质，可定制的表面和结构，增强的导电性和催化性能，机械和热稳定性等（Fig. 4和5）。
CDs基复合材料具有可调节的尺寸、优异的光学、电学和催化性能，且在机械和热稳定性方面表现优异。这些特性使其在环境污染控制、传感、催化和能源存储等领域具有广泛的应用前景。
碳点基复合材料在污染物的检测、吸附、降解、海水脱盐与淡化和抗菌处理等环境污染控制中均有所应用（Fig. 6-9）。
（1）污染物检测
环境介质中污染物的检测是评价污染程度、采取补救措施和保障公众健康的必要条件。基于CDs的复合材料由于其独特的光学性质和功能多样性而成为污染物检测的有力平台。论文从荧光传感、比率荧光检测以及电化学分析等方面详细综述了近年来碳点基复合材料在污染物分析方面的应用。
（2）污染物的吸附
碳点具有较大的比表面积和丰富的表面官能团，提供了大量的结合位点，提高对污染物的吸附效率和吸附量，成为对污染物吸附的一个重要研究方向。综述中分别探讨了近年来的金属离子和有机污染物的吸附示例，并详细分析了主要的吸附机理。
（3）膜基水净化
膜处理技术以其运行成本低、处理效率高、再生能力强等优点而受到广泛关注。CDs具有超小的尺寸、良好的水溶性和丰富的表面基团，可以很容易地修饰在膜基底上。基于CDs的膜在不影响溶质选择性和机械强度的情况下，具有更好的渗透性、防污性能和稳定性。目前，对聚合的控制仍然是一个关键问题。研究人员必须优化CDs在膜基质内的分散和均匀分布，这可以通过修饰CDs表面或使用交联剂来实现。此外，提高CDs基膜的机械强度和耐酸性能将进一步提高其在水处理中的使用寿命和实用性。
（4） 污染物的降解与矿化
污染物降解和矿化是污水处理的有效方法。对清洁能源日益增长的需求推动了对新型催化材料的重大研究。由于其高导电性和快速的电子转移，CDs被广泛应用于增强和调节催化活性。在污染物降解方面，基于CDs的杂化复合材料为污染物降解提供了安全、无毒的选择，特别是在没有复杂环境条件的水溶液中。论文将污染物降解分为两种主要类型：光催化和电催化。
（5）太阳能驱动海水脱盐与净化
太阳能驱动海水淡化技术利用太阳能蒸发水，留下盐分和污染物等污染物，在从海水和污染源生产清洁饮用水方面显示出潜在的应用前景。基于CDs的材料因其独特的光学特性、高表面功能性和出色的生物相容性而脱颖而出，将CDs材料整合到太阳能-蒸汽系统中，为大规模水处理提供了一种前景光明、成本效益高的方法。
（6）抗菌处理
CDs可以与其他抗菌材料集成，以提高其抗菌性能，使其适用于各种环境应用。迄今为止，平衡抗菌性能和成本效益仍然是一个挑战，特别是在扩大实际应用的过程中。此外，还应深入研究这些复合材料的长期环境影响和生物降解性。
基于碳点的复合材料具有优异的光致发光性能、高比表面积和可调的表面功能，在解决环境污染问题方面具有很大的潜力。这些材料在污染物吸附、环境传感、催化过程等方面有着广泛的应用，在智能污染控制、自清洁系统、大规模污染治理等方面有着广阔的应用前景。尽管如此，在其开发和应用中存在的挑战，仍需探索和解决：
（1）深入理解机制：进一步探究合成及与污染物相互作用机制，实现性能精准调控。
（2）提升稳定性与耐久性：增强材料在复杂环境中的稳定性，确保长期有效。
（3）解决规模化和成本效益问题：开发绿色合成方法，降低成本，推动工业化应用。
（4）优化器件制造与集成：研发实时、无创检测设备，实现污染监测与防治一体化。
（5）加强安全评估：全面评估长期安全性，确保可持续使用。
侯娟：长春理工大学副教授，硕士生导师，主要从事碳基纳米材料合成、荧光分析方法构建、环境及食品污染物分析、生物质转化等研究方向。主持国家自然科学基金，中国博士后科学基金，黑龙江省博士后科学基金，吉林省自然科学基金，中央高校基本科研业务基金等项目，累计发表学术论文三十余篇，获黑龙江省高校科学技术奖一等奖一项。通讯邮箱：houjuan0503@126.com，https://hxhj.cust.edu.cn/xygk/szdw/fjs/94802a0896344e0fb6b17d56abda86a3.htm
丁兰：吉林大学教授，博士生导师，dinglan@jlu.edu.cn。
孙晶：长春理工大学教授，博士生导师，sj-cust@126.com。
第一作者：孟祥至，女，2023级硕士研究生，现就读于长春理工大学化学与环境工程学院。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158278
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