综述：用于海水资源利用与污染管理的碳点赋能技术：设计策略、机理与未来展望

《Materials Today Chemistry》：Carbon dot-enabled technologies for seawater resource utilization and pollution management: Design strategies, mechanisms, and future perspectives

　　

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  对主要海水应用中的功能化 CDs 进行了系统综述。
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  建立了结构与功能关系，以指导面向应用的 CDs 设计。
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  CDs 设计策略与光热、传感和催化功能相关联。
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  讨论了稳定性、环境风险以及实际海水挑战。

引言

海水资源利用和海洋污染控制是可持续海洋技术的重要方向。日益增加的淡水资源短缺、能源需求和海洋污染促进了海水淡化、污染物监测与去除以及海水制氢的研究 [1,2]。海水高度复杂。其高盐度、高离子强度、腐蚀性离子和波动的化学成分会影响材料稳定性、界面反应、传质和电荷转移 [3,4]。需要具有环境适应性、界面调节能力和长期稳定性的功能材料 [[5], [6], [7]]。由于其可调结构、丰富的表面位点、可调界面和高效的传输特性，纳米材料为海水系统中的材料设计提供了有用的平台 [8,9]。

作为典型的碳基纳米材料，碳点（CDs）具有可调的π共轭结构、宽光谱吸收、良好的水分散性、丰富的表面官能团和可调的电子结构 [[10], [11], [12], [13]]。这些特性使 CDs 成为海水资源利用和污染管理的有前途的材料 [14]。在海水相关系统中，CDs 可以参与光热转换、污染物识别、污染物吸附、界面电子转移和催化反应 [[15], [16], [17]]。然而，原始 CDs 在高盐度条件下经常遭受聚集、活性位点屏蔽、官能团失活和界面不稳定。这些问题限制了它们在复杂海水环境中的直接使用 [18]。因此，功能化对于提高 CDs 的稳定性、界面适应性和协同性能至关重要。它还提供了设计用于海水淡化、污染物检测、污染物去除和析氢的基于 CDs 材料的有效策略 [19,20]。

基于 CDs 的功能化材料主要通过复合结构设计、异质结构工程、杂原子掺杂、配体工程和表面修饰来构建 [21]。这些策略可以调节 CDs 的分散稳定性、表面活性位点、电子结构和界面相互作用，从而提高其在海水系统中的性能 [22]。在海水淡化中，CDs 可以增强光吸收和光热转换，调节界面水状态和水传输，并改善耐盐性和抗污染性能 [23]。在污染物检测中，CDs 可以提高高盐基质中的灵敏度、选择性和信号稳定性 [24]。在污染物吸附和降解中，CDs 可以促进污染物富集、界面电子转移和活性氧生成 [25]。在海水析氢中，CDs 可以作为吸光单元、电子转移介体、导电修饰剂或光热中心，促进电荷分离和反应动力学 [26,27]。

以往的综述总结了 CDs 的合成、物理化学性质、发光机制以及与水相关的应用，包括废水处理和基于膜的淡化。然而，大多数研究集中在 CDs 的内在性质或个别水处理场景上，而复杂海水环境施加的特定材料要求受到的系统关注有限 [28,29]。此外，功能化 CDs 基复合材料很少从材料结构、功能调节和应用性能之间关系的角度进行讨论。为了弥补这些空白，本综述专注于用于海水资源利用和污染管理的功能化 CDs 基材料。系统地总结了前驱体选择、表面功能化、基底耦合和复合构建对结构和界面性质的影响。比较性地讨论了四个主要应用领域的最新进展：海水淡化、污染物检测、污染物吸附和降解以及海水析氢。更重要的是，建立了一个结构 - 功能 - 应用框架，以阐明不同的结构设计如何在复杂海水系统中调节光热转换、分子识别、污染物富集、电荷转移和催化活性。在此基础上，确定了共同的设计原则和特定应用的要求。最后，讨论了耐盐性、选择性、稳定性和可扩展制备方面的当前挑战，并提出了面向实际海洋应用的未来方向。

章节摘要

CDs 介导的光热转换和水蒸发用于太阳能驱动的海水淡化

太阳能蒸发器利用高效光热转换材料吸收太阳辐射并将其转化为热量，驱动水 - 气界面的水蒸发以生产淡水 [30]。太阳能驱动的海水蒸发依赖于局部热量产生和连续的水 - 盐传输。CDs 的 sp²共轭域和表面状态控制光吸收和无辐射弛豫，而它们的粒径和界面位置影响热量

CDs 诱导的荧光响应和海水中的金属离子选择性识别

海水中的重金属离子由于其持久性、生物累积性和毒性，对海洋生态系统和人类健康构成长期和多层次的威胁 [55]。基于 CDs 的检测器必须在复杂盐基质中选择性识别目标离子的同时保持稳定的光学信号。选择性金属离子检测依赖于稳定的发光核心与可访问的识别界面的耦合。碳核心的大小和共轭程度，连同分布

功能化 CDs 用于从海水中选择性结合和捕获金属离子

CDs 是 Hg²⁺、Cu²⁺、U⁴⁺ 和 V⁵⁺ 等重金属离子的有效吸附剂 [74]。金属离子捕获受吸附位点的化学亲和力和它们在材料内的可访问性共同控制。配体身份和表面电荷决定优先结合哪种离子物种，而配体密度和暴露程度决定可用的吸附容量。一旦 CDs 被纳入支撑基质，孔径和连通性就变得同样重要，因为

CDs 介导的光捕获和电荷分离用于海水光催化析氢

海水分解代表了绿色氢生产的可持续途径。光催化析氢要求 CDs 将光吸收与向质子还原位点的电子传递联系起来。它们的共轭结构、表面状态和能级定义了光学响应以及接受或提供光生电子的能力。在半导体界面，能带排列和接触质量设定了电荷转移的方向和效率。空间

功能化 CDs 在海水中的聚集和释放行为

聚集和浸出是 CDs 基材料在海水中两个关键的稳定性问题。聚集改变 CDs 分散性，诱导荧光自猝灭和界面异质性，并降低功能位点的可访问性，从而损害检测、传质、电荷转移和整体性能 [101]。浸出释放 CDs、表面配体或相关成分，导致功能丧失和性能恶化，同时增加环境暴露和

结论与展望

本综述总结了功能化 CDs 在海水资源利用和污染管理方面的最新进展。CDs 基材料已逐渐演变为复杂海水系统中的多功能调节器。通过合理的前驱体选择、表面功能化、基底集成和复合构建，CDs 可以调节涉及光吸收、水传输、分子识别、污染物富集、电荷转移等的界面过程

CRediT 作者贡献声明

胡振华: 写作 – 初稿，数据整理。 徐金霞: 资源，数据整理。 童润泽: 监督，数据整理。 高萌: 可视化，软件。 白瑞雪: 监督，数据整理。 李文: 可视化，正式分析。 闫凡勇: 写作 – 审查与编辑，监督。

竞争利益声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

该工作得到了 国家自然科学基金 (32472022)、分离膜与膜过程国家重点实验室 (Z1-201507)、天津大学 (TD13-5042) 的创新研究团队计划、天津工业大学沧州研究院 (TGCYY-F-0207)、沧州市自然科学基金 (23241001003N)、沧州市重大科技专项 (23243304004Z)、受调控的双金属催化剂受控构建 的支持

胡振华 | 徐金霞 | 童润泽 | 高萌 | 白瑞雪 | 李文 | 闫凡勇