综述：CD复合材料在检测和吸附铀及其他放射性元素方面的进展：综述

《Journal of Engineering and Technology Management》：Advances in CDs composites toward detection and adsorption of uranium and other radioactive elements: a review

放射性离子检测与吸附材料研究进展：综述碳点复合材料在铀及稀土元素检测与吸附中的应用，分析其制备方法（原位合成与后修饰策略）、表征手段及性能提升机制，总结荧光探针与多孔碳复合材料的吸附容量、选择性和稳定性优势，指出表面官能团工程与复合策略对提升材料抗辐射性和环境适用性的关键作用。

　　放射性元素在人类活动，如核能、采矿和石油工业中常作为副产品出现。若这些元素未能妥善管理，一旦接触或摄入人体，可能对肾脏和骨骼造成严重损害，引发DNA损伤，甚至导致死亡。早在1789年，德国科学家马丁·克拉普罗特首次从沥青铀矿中发现了铀。铀作为一种放射性物质，一旦泄漏到环境中，会氧化形成尿anyl离子。这些离子可通过食物链积累，最终在人体内造成慢性中毒，从而引发严重的环境问题。因此，解决环境中铀吸附问题的关键在于开发有效的处理方法。而应对放射性污染的核心挑战是如何实现对放射性物质的及时检测和高效吸附，这依赖于设计具有可调表面化学性质的功能性吸附材料，以选择性地捕获放射性核素。

针对这一需求，研究人员开发了多种用于放射性检测和吸附的材料，如生物材料、纳米材料、聚合物等。其中，碳点（CDs）作为一种新兴的纳米材料，因其独特的性能而受到广泛关注。碳点是一种由小于10纳米的碳基纳米材料组成，包含sp2和sp3杂化的碳原子及表面官能团。它们具有优异的可调荧光特性、高量子产率、低毒性和良好的生物相容性，广泛应用于生物医学、催化、传感和光电子领域。碳点主要分为石墨烯量子点、碳量子点和聚合物量子点，其荧光发射特性（如不同颜色）取决于所使用的碳源前体。此外，碳点具有丰富的官能团、简单的制备方法以及易于修饰的特性。然而，由于碳点具有复杂的性质和尺寸分布，难以从模板中分离，且容易发生聚集，导致荧光猝灭。因此，它们通常与互补材料结合，以提高对放射性核素的选择性，从而在环境应用中实现更高效的检测和吸附。

有趣的是，碳点因其独特的荧光猝灭特性，已成为检测放射性元素的优选材料。例如，王等人合成了一种基于碳点和罗丹明的新型比率荧光探针，用于快速检测中药材和河水中的Hg2?。此外，功能化的碳基吸附材料（如石墨烯、介孔碳和水热碳等）因其热稳定性、抗辐射性和环保性，表现出对铀的高选择性和吸附能力。水热碳具有易于合成的特点，其表面广泛分布着含氧官能团。Sharmistha Samota等人采用水热法合成SCNFs@CDs复合材料，该材料对UO?2?离子表现出强烈的亲和力，实现了低至1.64纳摩尔的检测限和高达196.07毫克/克的最大吸附容量。此外，即使经过5次循环，该材料仍能保持87%的吸附效率。对于吸附应用而言，表面积至关重要。以石墨烯为例，其较大的表面积提供了丰富的吸附位点，而丰富的表面官能团也有助于与其他材料的接枝，从而增强吸附性能。通过表面修饰和接枝，这些碳基材料可以被工程化为高效的铀吸附剂。将碳点与这些材料复合，可进一步提升对放射性元素的吸附能力和选择性。同时，碳点的固有荧光特性使其能够追踪吸附和解吸过程，从而实现对放射性元素的高效检测。然而，关于碳点复合材料在放射性元素检测和吸附方面的近期综述仍然有限。

在本文中，我们比较和总结了各种碳点复合材料在检测和去除放射性元素方面的优势，重点关注了碳点复合材料的制备、表征及未来发展方向。首先，碳点复合材料的制备方法主要集中在原位合成法和后修饰策略。其次，我们总结了不同碳点复合材料的表征策略，这对理解其结构、界面状态和工作原理具有重要意义。第三，我们全面讨论了碳点在放射性元素检测和吸附中的能力。本文还进一步提供了关于实现铀及其他放射性元素高效去除的理论总结和参考，为实际应用的可能实现奠定基础。同时，提高铀及其他放射性元素的选择性和吸附能力，代表了吸附材料未来研究的主要方向。具有特定表面官能团的材料将成为未来荧光检测材料的主流。

碳点复合材料通常通过将碳点与聚合物或其他基质材料结合形成。这种结合方式克服了单一碳材料的脆性，通过协同效应，使碳点复合材料在检测和吸附铀离子方面表现出优于单一材料的性能。然而，尽管这些材料具有诸多优势，其机械稳定性仍是一个值得关注的问题。在实际应用中，材料的机械性能直接影响其使用寿命和可靠性。因此，提高碳点复合材料的机械稳定性是未来研究的重要方向之一。此外，由于碳点具有复杂的性质和尺寸分布，其在复合过程中可能产生不均匀性，从而影响其整体性能。因此，研究如何优化碳点复合材料的结构，使其具有更均匀的分布和更高的稳定性，是当前亟需解决的问题。

在铀离子检测方面，碳点复合材料展现出独特的性能。传统检测方法如原子吸收光谱（AAS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、总反射X射线荧光光谱（TR-XRF）、冷蒸气原子荧光光谱、激光诱导光致发光等虽然具有高精度和超低检测限，但操作复杂、设备昂贵，且难以实现实时监测。相比之下，碳点复合材料因其良好的荧光特性，能够提供快速、简便、灵敏的检测手段。例如，基于碳点的比率荧光探针可以在检测过程中提供更准确的定量信息，同时减少背景干扰，提高检测的特异性。此外，碳点复合材料的表面官能团可以与铀离子发生特异性相互作用，从而实现对铀离子的选择性检测。这种特性使其在环境监测和污染治理中具有广阔的应用前景。

除了铀离子，碳点复合材料在检测和吸附其他放射性元素方面也展现出良好的性能。例如，稀土元素因其热释放或长半衰期，可能对环境造成长期影响。这些元素可能通过食物链进入人体，造成毒性及放射性损害。碳点复合材料在检测和吸附其他放射性元素及污染物方面的性能如表4所示。因此，开发能够检测和去除这些放射性元素的方法和材料显得尤为重要。碳点复合材料的多功能性使其在这一领域具有独特的优势，能够同时实现检测和吸附功能，从而提高处理效率。

在未来的放射性元素检测和吸附研究中，结构调控、表面功能化和复合策略被认为是提升碳点性能的关键方法。例如，通过改变碳点的结构，可以优化其表面化学性质，使其更适用于特定的检测和吸附需求。此外，表面功能化可以引入更多的活性位点，提高对放射性元素的亲和力。而复合策略则能够结合不同材料的优势，形成具有更高稳定性和选择性的复合体系。这些方法的结合将有助于开发更高效的吸附和检测材料，以应对日益复杂的环境问题。

同时，为了满足实际应用的需求，未来的研究还需关注材料的稳定性、可重复使用性和成本效益。例如，开发能够耐受辐射、高温、化学腐蚀和机械应力的材料，可以提高其在实际环境中的应用寿命。此外，提高材料的可重复使用性，使其能够在多次使用后仍保持较高的吸附和检测性能，也是未来研究的重要方向。通过优化这些因素，碳点复合材料可以更广泛地应用于环境科学领域，为放射性污染的治理提供更有效的解决方案。

总之，碳点及其复合材料在放射性元素的检测和吸附方面展现出巨大的潜力。通过合理的设计和优化，这些材料能够克服单一材料的局限性，提供更高效、更环保的解决方案。未来的研究应进一步探索碳点复合材料的性能提升途径，以满足日益增长的环境需求。这不仅有助于提高检测和吸附的效率，也为放射性污染的治理提供了新的思路和方法。