可调谐木质素基碳量子点的绿色制备及其在水净化中的多功能应用

推荐：研究人员针对木质素高值化利用和水污染治理难题，通过溶剂分级策略构建了杂原子掺杂多色木质素碳量子点（CQDs），实现了双模块污染物传感（Fe3+/L-cys）、金属离子可视化检测及光催化抗生素（TC）降解（效率达85%），为生物质-水 nexus 提供了创新解决方案。

　　

随着化石能源枯竭和环境问题加剧，生物质资源的绿色转化成为全球研究热点。作为木质纤维素第二大组分的木质素，年产量超5000万吨，却因结构复杂常被作为低值燃料处理，造成严重的资源浪费和环境污染。如何通过"木质素优先（lignin-first）"策略实现其高值化利用，同时解决水环境中重金属和抗生素污染的双重挑战，成为当前研究的难点。

针对这一难题，国内某高校的研究团队在《Green Energy》发表了一项突破性研究。他们创新性地开发了溶剂辅助分级技术，通过酸解-两相萃取联用策略，从单一木质素体系中制备出蓝、绿、红三色荧光碳量子点（BCQDs/GCQDs/RCQDs），并系统探索了其在多模式水净化中的应用。研究采用核磁共振（2D HSQC NMR）、时间分辨荧光（TRP）和密度泛函理论（DFT）等关键技术，揭示了木质素分子量（M_w=2150 g/mol）与功能基团（-COOH含量1.33 mmol/g）对CQDs量子尺寸（1.35-2.03 nm）和光学性能的调控机制。

3.1 多色CQDs的可控构建
通过酸解木质素残渣的溶剂热反应，结合CH₂Cl₂/H₂O两相萃取，成功分离出具有不同发射波长的CQDs：BCQDs（λ_em=420 nm）、GCQDs（λ_em=521 nm，量子产率18.19%）和RCQDs（λ_em=651 nm）。拉曼光谱证实RCQDs具有更高的石墨化程度（I_G/I_D=1.35），XPS分析显示GCQDs表面存在C?SO₃等杂原子基团。

3.2 双模块传感与可视化检测
BCQDs对Fe³⁺表现出选择性荧光淬灭效应，检测限（LOD）低至3.35 μmol/L，且可通过L-半胱氨酸（L-cys）实现荧光恢复（LOD=4.09 μmol/L）。将GCQDs嵌入纤维素水凝胶（CelCQDs）后，可直接可视化Fe³⁺的存在，FTIR证实其通过氢键重构实现离子识别。

3.3 光催化抗生素降解
RCQDs修饰的ZnIn₂S₄（ZIS）复合材料在可见光下对四环素（TC）的降解率达85%。EPR和淬灭实验证实h⁺是主要活性物种，其次为?O₂^?和¹O₂。DFT计算显示RCQDs-ZIS的功函数（4.87 eV）较纯ZIS降低，电子转移量达0.998855 e，显著提升了载流子分离效率。

该研究首次在单一木质素体系中实现多色CQDs的可控制备，建立了"结构-性能"调控模型，不仅为木质素高值化利用提供了新思路，更开创了"以废治污"的可持续水净化模式。通过将传感、检测与光催化功能集成于生物质衍生材料，为应对能源-环境双重挑战提供了创新解决方案。