《Inorganic Chemistry Communications》：Ternary carbon quantum dot-based nanocomposites for sustainable water treatment: synergistic design, mechanisms, and challenges: A review
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碳量子点（CQDs）三元复合材料通过协同效应显著提升水处理效率，其光吸收、电荷分离及吸附能力优于传统二元系统，可有效降解持久性有机污染物并增强材料稳定性。研究系统总结了三元架构设计原理、性能优化机制及环境安全挑战，为绿色水净化技术开发提供理论支撑。
阿格博戈·乌格贝坦·维克托（Agbogo Ugbetan Victor）|洛夫普里特·辛格（Lovepreet Singh）|哈希塔·贾因（Harshita Jain）|阿夫塔布·艾哈迈德·汗（Aftab Ahmad Khan）
印度比乌（Biu）尼日利亚陆军大学化学系
摘要
现代社会的快速工业化和城市化导致水资源受到染料、药品、重金属、农药和其他持久性有机污染物的广泛污染。传统的水处理技术往往效率低下、能耗高，或者会产生二次废物。碳量子点（CQDs）作为一种新型的碳基纳米材料，在光催化和吸附系统中表现出高效、环保且可调的特性。虽然二元CQD复合材料（例如CQD-金属氧化物或CQD-聚合物）已经得到了广泛研究，但最近在三元CQD基纳米复合材料方面的进展显示出了显著的协同效应，使得这些材料能够实现多功能和可持续的水净化。这些系统结合了CQD优异的光吸收和电子传输能力，以及聚合物、金属氧化物和碳纳米结构等互补材料的氧化还原活性、稳定性和高表面积。本文重点介绍了三元CQD基纳米复合材料在水处理中的设计原理、作用机制及其环境影响，并强调了将CQD与两种其他功能材料合理结合如何提高电荷分离效果、污染物降解能力和材料重复使用性。本文还系统地分类了三元纳米材料的结构类型，分析了结构-性质-性能之间的关系，并指出了合成可扩展性、材料稳定性和环境安全性方面的未来挑战。该综述为理解基于CQD的三元系统如何促进绿色、高效和循环水净化技术的发展提供了全面见解。
引言
全球水资源的污染是一个严重的环境问题，其主要原因包括快速工业增长、城市扩张、人口增长和集约化农业实践[37][13]。这一问题因大量未经充分处理的废水持续排放而变得更加严重[39]。据估计，高达80%的废水在未经适当处理的情况下直接排放，严重破坏了淡水供应，威胁人类健康、水生生物以及可持续水资源管理策略的长期可行性[31][19]。现有的传统处理方法（如混凝/絮凝、沉淀和活性污泥生物处理）能有效去除悬浮固体和易生物降解的有机污染物（表1）。然而，这些传统方法通常无法消除持久性微量污染物，如内分泌干扰化学物质（EDCs）、全氟和多氟烷基物质（PFAS）等微污染物[14]。
某些类别的纳米材料具有针对性的修复能力。金属和金属氧化物纳米颗粒（如零价铁（nZVI）、二氧化钛（TiO?）和氧化锌（ZnO）被广泛用于氯化溶剂的还原脱卤和难降解有机污染物的氧化矿化[58]。像TiO?这样的光催化剂利用光子能量驱动氧化还原反应，将复杂的有机物分解为无害的无机分子。纳米材料通过结合高反应性、过程选择性和功能适应性，并日益注重环境兼容性，极大地推动了可持续修复领域的发展[2]。在绿色化学原理、先进的混合设计以及积极的风险管理框架指导下，这些纳米材料在实现水圈、岩石圈和大气的稳健和可持续净化方面展现出巨大潜力[81]。
碳量子点（CQDs）是一类准球形的碳基纳米材料，粒径通常小于10纳米，它们结合了碳的结构简单性和尺寸依赖的量子效应[35]。CQDs最初在21世纪初被发现，是碳纳米管纯化过程中产生的荧光物质，后来发展成为一类受到广泛研究的零维纳米颗粒，因其光学活性、化学稳定性和易于表面功能化而受到重视[41]。CQDs主要由sp2和sp3杂化的碳域组成，这些碳域排列在一个小颗粒内。从结构上看，它们可以描述为一个由石墨化（共轭）岛屿组成的无序网络，这些岛屿分散在非晶碳中，其表面富含含氧和含氮的功能基团（–OH、–COOH、–C=O、–NH?等）[34]。图1展示了具有不同表面功能团的CQDs的结构。
石墨化核心是直径几纳米或更小的sp2簇，在这些簇中发生π–π*跃迁。这些碳域的相对大小和连接性强烈影响其光学和电子性质。由于CQDs不是单一的、定义明确的晶体相，其性质会随着合成方法、前体组成和后续改性的不同而变化。CQDs在可持续修复和传感方面具有多种内在和实际优势[35]。与重金属量子点（如CdSe）相比，碳基量子点通常具有较低的细胞毒性，适用于需要生态或生物医学安全性的应用。CQDs可以集成到膜、复合材料或电极中，并在保持功能性能的同时实现混合修复系统。尽管CQDs在催化和吸附应用中存在一些局限性（如电荷分离效率低、量子产率中等、活性表面位点较少[84][51]，但由于其优异的光学性质、化学稳定性和环保特性，仍展现出巨大潜力。当单独使用时，CQDs的表现往往不尽如人意。然而，当与其他材料结合使用时，CQDs可以显著提升这些性能。
CQDs的绿色合成策略
CQDs因其适合“绿色”合成而备受关注，这进一步增强了它们在研究和实际应用中的价值[72]。植物残余物、农业废弃物和木质纤维素生物质等可再生自然资源可作为碳源。这些基于生物质的CQDs遵循绿色化学原则，使用廉价、丰富的可持续原材料[79]。
二元CQD复合材料在水处理中的局限性
尽管基于CQD的复合材料（CQD+单一组分如TiO?、ZnO、g-C?N?或金属氧化物）通过吸收可见光、提供表面功能团和电子传输途径，从而提高了光催化和吸附性能，但已有许多研究表明存在固有的局限性。尽管CQDs可以作为电子储存库或上转换剂，但在许多二元异质结中，量子效率仍然有限
CQD/金属氧化物/聚合物系统（例如CQD/TiO?/PANI、CQD/ZnO/壳聚糖）
将CQDs与金属氧化物和聚合物基体结合的三元纳米复合材料已成为最适用于可持续水处理的材料之一（表5，图4）。这种设计的理念是各组分相互弥补彼此的缺点：TiO?和ZnO等金属氧化物具有强大的光催化活性，但容易发生电子-空穴复合；聚合物则提供了结构稳定性、选择性吸附等功能吸附机制：静电相互作用、π–π堆叠、表面配位
在基于CQD的三元纳米复合材料中，吸附通常是去除污染物的第一步，也是最重要的步骤（图5）。在任何光催化或氧化还原反应发生之前，必须先将污染物捕获并集中在复合材料表面（表6）。当CQDs与聚合物、金属氧化物或功能性碳材料结合时，会形成大量的活性位点，从而影响污染物与材料的相互作用方式。光催化效率和反应速率
从二元CQD系统转向三元CQD系统时，降解效率和动力学性能显著提升。例如，在Nguyen等人的研究中，一种三元Z-Scheme系统（TiO?/CuInS?/OCN，通过CQDs连接）在可见光照射下60分钟后对RY145染料的降解效率达到了95.44%，而单独的二元或单组分系统的降解效率要低得多[55(b)]。这突显了CQDs的重要性基于CQD的系统在真实废水和试点规模应用中的表现
大多数关于基于CQD的纳米复合材料在水处理方面的实验室研究使用的是合成废水和三元碳量子点。这些受控系统有助于理解其机理特性，但它们不能充分反映实际废水的情况，因为实际废水通常含有混合的有机-无机污染物、不同的离子强度、pH值变化以及天然有机物。因此，最近的研究越来越强调需要进行实际废水测试基于CQD的纳米复合材料的环境和毒理学考虑
对于水处理应用而言，环境安全性是首要考虑因素。虽然CQDs总体上被认为是环境友好的，但越来越多的证据表明，CQDs的环境和生物学效应受到物理化学性质、表面化学性质和复合材料组成的显著影响。未经改性的CQDs通常没有细胞毒性，在环境安全方面表现良好。体外研究表明基于CQD的纳米复合材料的材料稳定性、再生性和重复使用性
耐久性和再生性是将基于CQD的纳米复合材料从实验室应用推广到实际水处理过程中的关键因素。许多三元系统表现出优异的光催化或吸附性能，但其在光照下的长期稳定性、循环使用次数以及复杂的水质条件决定了其实际应用的可行性[59]。总体而言，三元结构在结构和操作稳定性方面优于二元CQD系统挑战与未来展望
基于碳量子点的纳米复合材料在可持续水处理方面显示出巨大潜力。然而，将这些材料从实验室研究推向实际应用面临诸多挑战。解决这些问题对于它们的实际应用和长期环境效益至关重要。目前大多数基于CQD的三元复合材料仍是在实验室规模上使用批量方法制备的。尽管许多研究报道了使用植物提取物的“绿色”合成路线结论
本综述总结了基于CQD的纳米复合材料在可持续水处理领域取得的快速进展。与单组分和二元系统相比，三元结构通过结合CQDs的光捕获和电子传输能力，以及金属氧化物、聚合物、生物聚合物、金属和碳基材料提供的催化活性、吸附能力和结构支持，展现了明显的优势
CRediT作者贡献声明阿格博戈·乌格贝坦·维克托（Agbogo Ugbetan Victor）：撰写初稿、进行实验、数据管理、概念构建。洛夫普里特·辛格（Lovepreet Singh）：撰写初稿、方法设计、实验研究、数据分析、正式分析。哈希塔·贾因（Harshita Jain）：审稿与编辑、撰写初稿、项目监督、方法设计、实验研究、数据管理、概念构建。阿夫塔布·艾哈迈德·汗（Aftab Ahmad Khan）：撰写初稿、项目监督、方法设计、实验研究、数据管理、概念构建。
维克托·乌格贝坦·阿格博戈（Victor Ugbetan Agbogo）是纳米技术、聚合物科学和功能性涂层领域的杰出研究者，擅长生物聚合物合成、腐蚀抑制和材料表征。他目前担任南非茨瓦内科技大学（Tshwane University of Technology）和纳米工程研究所（Institute of Nanoengineering Research）的功能纳米材料博士后研究员，同时在尼日利亚陆军大学（Nigerian Army University, Biu）担任高级讲师，负责工业应用方面的研究
