利用有机废物通过绿色化学方法合成碳量子点在环境保护中的应用：一项文献计量分析

《Biomass and Bioenergy》：Green synthesis of carbon quantum dots from organic waste on environmental protection: A bibliometric analysis

有机废物制备的碳量子点（CQDs）在环境与生物医学中的应用研究：基于Web of Science的文献计量分析显示，2012-2024年间323篇高被引论文揭示了CQDs在废水处理、重金属检测及能源存储中的潜力，但存在规模化生产、稳定性及废物多样性不足的挑战。

　　

哈迪扎·谢胡·吉瓦（Hadiza Shehu Giwa）|哈兹鲁尔里扎瓦蒂·阿卜杜勒·哈米德（Hazrulrizawati Abd Hamid）|法拉·哈纳尼·祖尔基夫利（Farah Hanani Zulkifli）|肖建波（Jianbo Xiao）

马来西亚彭亨大学阿尔-苏丹阿卜杜拉分校工业科学与技术学院 地址：Tun Khalil Yaakob大道，26300，甘邦（Gambang），昆丹（Kuantan），彭亨州，马来西亚

摘要

工业和农业活动的迅速扩张导致了有机废物的过度产生，加剧了环境污染和资源枯竭。本研究首次对从有机废物中绿色合成的碳量子点（CQDs）及其环境应用进行了全面的文献计量分析。从Web of Science数据库中检索了2012年至2024年间发表的323篇经过同行评审的文章和综述，并使用VOSviewer进行了分析。该数据集包含10,515次引用，平均每篇文献引用32.55次，H指数为53，表明该研究领域的影响力正在迅速上升。网络分析和共现分析揭示了四个主要主题集群：环保废物转化、废水处理与污染物检测、石墨烯和碳量子点的绿色合成以及基于CQDs的能量存储系统。大多数高引用率的研究使用了食物、农业和污水废物作为可持续的碳前体，并证明这些材料可用于重金属检测、有机污染物的光催化分解、生物成像和超级电容器。关键词分析显示，研究重点在于光致发光、纳米粒子、选择性检测和低成本合成方法。研究结果强调了源自废物的CQDs在循环经济和清洁水应用中的重要性，同时也指出了在可扩展性、稳定性和废物来源多样性方面的研究空白。

引言

由于经济增长速度加快和资源利用效率低下，环境退化问题日益严重，全球对污染、生态系统破坏以及生活质量下降的担忧日益加剧[1,2]。这些问题促使人们实施了可持续发展目标（SDGs），以指导经济增长、社会福祉和环境保护之间的平衡[3]。然而，基于资源的生产方式和糟糕的废物管理系统阻碍了实现这些目标的努力，尤其是在环境健康和可持续性方面[4]。传统的废物管理方法（如焚烧和随意倾倒）会释放有毒污染物，从而恶化空气、土壤和水质，对人类健康和环境构成威胁[5],[6],[7]。 尽管已有废物处理技术，但其高昂的运营和能耗限制了其在大规模应用中的使用，尤其是在发展中国家[8]。因此，通过绿色、低能耗的方法将有机废物转化为高附加值产品成为一种有前景的替代方案，这有助于环境保护和经济发展[9]。绿色合成作为一种环保策略，减少了有害试剂的使用，降低了能耗，并使用了可再生或废物衍生材料[10]。与传统物理化学方法不同，绿色合成途径在形成先进纳米材料方面提供了更可持续的路径，后者通常需要有毒起始材料并导致二次污染[10]。 各种有机废物（如柑橘类废物、木质纤维素废物（椰壳、果壳、稻壳和甘蔗渣）[11]、食物废物和污泥）已被广泛用作碳量子点（CQDs）合成的前体（图1）。废物转化是一种可持续的方法，碳量子点（CQDs）是尺寸在1至10纳米之间的荧光半导体纳米粒子。它们因其低毒性、水溶性、光稳定性、良好的生物相容性以及出色的结构和光学性能（包括可调带隙和稳定的荧光）而受到重视[12,13]。CQDs具有独特的光学特性，如电化学发光、谐波光致发光和持久荧光[13]。 CQDs已在生物医学、技术和环境领域得到广泛应用，例如光动力疗法、能量存储、光催化、水净化以及使用低成本、非侵入式荧光传感器进行重金属离子检测[7,14]。它们还表现出显著的生物活性，如细胞毒性、抗氧化性、抗菌性和抗真菌性[15,16]，这激发了人们对癌症诊断和治疗的兴趣，包括肿瘤定位和抑制[15,16]。CQDs还被用作防腐剂、农药、营养添加剂以及检测微生物毒素和病原体的试剂[17,18]（图2）。 生物废物因其环保性和经济可行性而成为CQDs合成的最有趣碳源[19]。考虑到基于废物的CQDs在物理化学性质和应用趋势上的相似性，补充材料中的表S1提供了详细的材料表征和应用特定数据。所有XRD数据均显示非晶或弱结晶碳结构，而所有FTIR光谱均显示存在羟基、羰基、羧基和胺基等功能团，这些功能团赋予了材料高表面活性。从废物中获得的CQDs通常在蓝光和红光波段具有较高的光致发光性能，带隙范围约为3.1至4.5电子伏特。TEM分析显示其形态多为球形或准球形，平均粒径小于10纳米；在某些情况下，ζ电位表明其具有胶体稳定性[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26],[27],[28],[29],[30],[31],[32],[33],[34],[35],[36],[37],[38]。它们的各种应用（如污染物检测和降解、废水处理、抗菌和抗氧化、生物成像、药物递送和能源相关技术）均基于这些物理化学性质。研究表明，有机废物是生产用于环境和生物医学应用的可持续CQDs的极具可行性和多样性的原料。 尽管基于废物的碳量子点在可持续性和实际效益方面取得了快速发展[39]，但将其作为碳前体的做法仍存在争议。尽管许多研究报道了低成本、绿色合成路线的环境效益，但也有人认为废物组成的差异、材料性质的不一致性和有限的可扩展性可能限制了其实际应用[40]。目前尚不清楚环境和生物医学应用中观察到的性能差异主要是由于废物来源的选择、合成后的功能化处理或加工条件所致[41]。这种共识的缺乏导致了研究方向的分散，使得难以确定该领域的主导主题、研究成熟度和优先事项。尽管关于绿色合成CQDs的文献数量迅速增加，但总体上仍较为零散且缺乏系统性，主要关注单独的合成途径和特定应用，未能提供整体视角[42]。由于缺乏系统性的定量评估来追溯该研究领域的发展历程、明确主流主题和评估其影响力，因此本研究进行了全面的文献计量分析，以识别知识结构、合作模式和未来的研究方向。本研究旨在对从有机废物中绿色合成碳量子点的文献进行系统回顾，重点关注环境安全性。通过对已发表文章的系统性分析，评估研究产出和引用率，确定具有影响力的研究，识别主要主题，并发现知识空白。该回顾为未来的研究提供了理论和实践指导，以支持工业利益相关者、政策制定者和研究人员实现生态可持续发展。

材料与方法

本项全面的文献计量分析探讨了利用环保有机废物来促进碳基量子点生产中的可持续性和环境保护。文献计量学是一种定量研究方法，通过统计和可视化手段比较特定领域的学术文献，以识别显著趋势、知识形成和研究空白[43]。图3展示了一个分为四个阶段的概念框架。

出版物分析

利用WoS数据库进行的出版物和引用分析共识别出323篇论文，总引用次数为10,515次，其中9,830次引用未包含自我引用。结果仅限于期刊。平均每篇论文的引用次数为32.55次，H指数为53。图4显示了通过WoS获得的文献总数和引用次数的条形图。

论文数量从2012年到2022年逐渐增加，随后急剧下降。

结论

本文对基于废物的碳量子点（CQDs）进行了系统和严格的文献计量评估，提供了超越传统叙述性综述的定量和主题视角。通过对最重要出版物和引用网络的分析，本研究确定了主要的研究集群、应用领域的新兴趋势以及在废物利用、绿色合成、环境修复、生物医学应用和能源存储等关键领域的空白。

CRediT作者贡献声明

哈迪扎·谢胡·吉瓦（Hadiza Shehu Giwa）：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据分析、数据整理。 哈兹鲁尔里扎瓦蒂·阿卜杜勒·哈米德（Hazrulrizawati Abd Hamid）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、概念构思。 法拉·哈纳尼·祖尔基夫利（Farah Hanani Zulkifli）：撰写——审稿与编辑、验证、概念构思。 肖建波（Jianbo Xiao）：撰写——审稿与编辑、验证、概念构思。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文期间，作者哈迪扎·谢胡·吉瓦使用了ChatGPT-4.0、NotebookLM、Stealth writer和Grammarly来提高文章的可读性和语言质量。使用这些工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对论文内容负全责。

利益冲突声明

所有作者均声明没有利益冲突。

致谢

我们感谢马来西亚彭亨大学阿尔-苏丹阿卜杜拉分校的支持，并提供了资助（RDU243303）给阿卜杜勒·哈米德（Abd Hamid, H.）。