生物质废弃物绿色克级合成均一石墨烯量子点及其对纳摩尔级Hg2+的高选择性传感

针对石墨烯量子点（GQDs）工业化面临的产率低、尺寸不均及高成本问题，研究人员以生物质废弃物为原料，开发了一种绿色克级合成均一GQDs的方法。该技术仅用水作为溶剂，单批次产率超1g，尺寸控制在1.6±0.4 nm，量子产率达22%。所制GQDs可高选择性检测Hg2+（检测限4±0.05 nM），为环境监测和健康防护提供了高效解决方案。

　　

重金属污染尤其是汞离子（Hg²⁺）的毒性问题日益严峻，传统检测方法如原子吸收光谱（AAS）虽精准但设备昂贵、操作复杂。石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots, GQDs）因其独特的量子限域效应和可调光学性质被视为理想传感材料，但规模化生产面临产率低、尺寸不均及化学污染等瓶颈。如何通过绿色方法实现GQDs的高效合成并应用于环境监测，成为亟待解决的科学难题。

来自青岛大学等机构的研究团队在《Materials Today Chemistry》发表论文，提出以废弃茶叶为碳源、水为溶剂的克级GQDs绿色合成策略。通过优化水热碳化时间与温度，成功制备出尺寸均一（1.6±0.4 nm）、量子产率高达22%的GQDs，并构建了Hg²⁺荧光传感器，检测限达纳摩尔级。

关键技术方法

1. 水热碳化法：以茶叶生物质为前体，纯水为溶剂，单步反应实现克级GQDs合成；
2. 尺寸调控：通过反应参数（温度、时间）精确控制GQDs结晶与生长；
3. 荧光传感：基于Hg²⁺与GQDs表面官能团的特异性结合导致荧光猝灭，建立选择性检测体系。

研究结果

1. 绿色合成与表征：透射电镜（TEM）显示GQDs为单层至5层石墨烯结构，X射线衍射（XRD）证实其高度结晶性，拉曼光谱揭示低缺陷密度；
2. 光学性能：紫外-可见吸收光谱显示典型π-π*跃迁，荧光发射可调，量子产率优于多数报道值；
3. Hg²⁺传感应用：在14种金属离子中仅对Hg²⁺表现出显著荧光响应，检测限低至4 nM，且抗干扰能力强；
4. 机理分析：Hg²⁺与GQDs表面羧基的强配位作用导致电子转移，引发荧光猝灭。

结论与意义
该研究首次实现生物质废弃物到均一GQDs的绿色克级转化，解决了传统合成中毒性试剂依赖、产率不足等核心问题。所开发的Hg²⁺传感器兼具高灵敏度与选择性，为环境污染实时监测提供了便携方案。此外，该技术路径可扩展至其他纳米碳材料的可持续制备，推动GQDs在生物成像、能源器件等领域的实用化进程。作者Saleem Abbas和Aumber Abbas强调，这一成果“同时攻克了产率、成本、质量与可持续性四大挑战”，为纳米材料的工业化应用树立了新范式。