《Polyhedron》：Harnessing the sugarcane bagasse into valuable N,S co-doped carbon dots to combat oxidative stress and improved catalytic removal of organic pollutants from water
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农业废弃物转化为多功能纳米材料在环保和抗氧化方面具有挑战。本研究通过水热碳化法以甘蔗渣为前驱体，合成氮硫共掺杂碳点（N,S/sc-CDs），其平均尺寸52.9 nm且具有绿色荧光。实验表明，N,S共掺杂显著提升了抗氧化活性（IC50达575.47 μg/mL）和催化降解甲基蓝效率（96%于3分钟内），优于未掺杂的甘蔗渣碳点。光谱及形貌表征证实掺杂增强了表面化学和电子转移能力。该成果为利用生物质废弃物开发多功能纳米材料提供了新策略。
谢赫拉·帕尔文（Shehla Parveen）| 盖尤尔·阿巴斯·乔塔纳（Ghayoor Abbas Chotana）| 诺琳·拉姆赞（Noreen Ramzan）| 贝尼什·巴图尔（Benish Batool）| 纳伊玛·布卡里（Naeema Bukhari）| 阿克萨·坎瓦尔（Aqsa Kanwal）| 赛拉·阿斯加尔（Saira Asghar）| 阿姆娜·雅库布（Amna Yaqoob）
巴基斯坦巴哈瓦尔普尔（Bahawalpur）萨迪克政府女子大学（Government Sadiq College Women University）化学系，邮编63100
摘要
通过可持续的转化方式将农业废弃物转化为多功能纳米材料，是环境净化和预防氧化应激过程中的一个重要挑战。本文报道了利用一步水热碳化法从甘蔗渣中制备氮硫共掺杂碳点（N,S/sc-CDs）的方法，这种碳点同时具有优异的抗氧化和催化性能，这是传统甘蔗渣基碳点所无法实现的。硫脲共掺杂改变了碳点的表面化学结构和电子结构，这一变化通过紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）得到了验证。制备出的共掺杂纳米粒子的平均尺寸约为52.9纳米，并在紫外光照射下展现出绿色荧光。优化后的N,S/sc-CDs抗氧化活性显著增强，DPPH自由基清除能力达到575.47 μg/mL（IC50），这得益于氮和硫元素在表面形成的协同作用，有效提升了电子和氢的传递效率。在NaBH4存在下，N,S/sc-CDs作为催化剂可高效还原亚甲蓝，3分钟内去除率可达96%，远高于未掺杂的甘蔗渣基碳点。这种兼具抗氧化和催化功能的甘蔗渣基碳点的开发，为有效去除有机污染物和对抗废水中的氧化应激提供了新的策略。
引言
甘蔗加工过程中会产生大量甘蔗渣，许多国家（如巴西、中国和印度）将其作为生物质废弃物丢弃[1]。这种废弃物不仅对环境造成压力，还会加剧自然资源的消耗。将其转化为创新纳米材料是一种可持续且高价值的利用方式[2]。甘蔗渣富含木质纤维素，其中纤维素约占38%、半纤维素28%、木质素18%，因此是制造碳量子点、纳米晶体等碳基材料的理想前体[3]。已有研究表明，从多种天然废弃物（如柚子皮、西瓜皮、菠萝皮、柠檬皮、橙子皮、香蕉汁、卷心菜、豆浆和咖啡残渣）中也能合成有用的碳基纳米材料[4]。最近的研究进一步证实了甘蔗汁和甘蔗渣浆作为合成碳量子点的可行碳前体的潜力[5]。
碳点是一种零维纳米材料，尺寸通常小于10纳米，偶尔也会达到60纳米，由sp2和sp3碳原子组成，具有丰富的聚合物链和表面官能团[6]。由于其独特的光学和电学性质（包括高光稳定性、生物相容性、低毒性、可调荧光、光诱导电子转移能力、低成本来源和高量子产率），碳点在催化、传感、药物递送、生物医学和防伪等领域受到广泛关注[7]。
尽管甘蔗渣是合成碳点的可持续碳源，但由于量子产率较低，其应用受到限制。引入硫（S）、氮（N）、硼（B）和磷（P）等杂原子作为掺杂元素已被证明可以有效提高量子产率[8]。这些杂原子掺杂改变了碳点的能级结构，从而影响其光学吸收和荧光特性；例如，氮和硫的掺杂显著增强了其光催化和荧光性能[9]。由于氮和硫的原子量小、成本低、环境无害、毒性低且可生物降解，它们成为理想的掺杂元素[10]。碳点可通过自由基机制降解有机染料（如亚甲蓝）。这些染料来自纺织工业，对人类具有高度毒性和致癌性，会导致皮肤疾病、肾脏疾病和眼部疾病[11, 12]。碳点能与氧气反应生成羟基自由基和超氧阴离子等活性氧物质，这些活性氧会分解染料分子，使其转化为无害的小分子或完全分解为水和二氧化碳[13, 14]。因此，将环境中的染料污染物转化为有价值的物质是一项具有挑战性的任务，需要开发多种纳米材料来降解亚甲蓝[15]。
K. Akash等人报道了从甘蔗渣和甘蔗渣髓中制备的碳点，这些碳点具有显著的抗氧化和抗炎活性[16]。未漂白的木质纤维素浆制成的碳点在40 μg/mL浓度下对DPPH自由基的清除率超过90%[17]。制备的钨氧化物和氨基修饰甘蔗渣碳点对亚甲蓝的去除效率达96%，并且经过三次循环后仍保持稳定性和高效性[18]。通过简单的水热法从甘蔗渣中制备的碳点被证明是高效的荧光抑制剂，适用于废水处理[19]。
虽然目前尚未有关于从甘蔗渣中制备氮硫共掺杂碳点的报道，但已有其他研究利用天然资源制备了氮硫共掺杂碳点。例如，从卷心菜叶中制备的碳点被用作检测茜素的荧光探针[20]。利用柚子果实和过硫酸铵作为掺杂剂制备的氮硫共掺杂碳点能有效清除DPPH、羟基自由基和超氧阴离子[21]。因此，仍需开展综合研究，整合可持续的前体选择、杂原子掺杂和催化稳定性等多方面因素。
在本研究中，我们采用硫脲作为氮硫共掺杂剂和表面钝化剂，通过水热碳化法从甘蔗渣中制备了氮硫共掺杂碳点。氮硫共掺杂不仅提升了碳点的抗氧化活性，还显著加快了亚甲蓝的化学催化降解速度。通过紫外-可见光谱、傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱对制备的N,S/sc-CDs进行了表征，评估了其抗氧化能力和降解性能。结果表明，在硼氢化钠存在下，N,S/sc-CDs在降解亚甲蓝方面表现出良好的催化活性（见图1）。本研究表明，甘蔗渣基氮硫共掺杂碳点是应对环境氧化应激和去除工业废水中有害物质的理想候选材料。
化学试剂
本研究中使用的化学试剂包括分析级乙醇、硫脲、1,1-二苯基-2-皮克里尔肼（DPPH）、福林试剂（Folin reagent）、亚甲蓝、没食子酸、碳酸钠、抗坏血酸和硼氢化钠。所有试剂均购自Sigma Aldrich公司，使用前无需额外处理。甘蔗渣购自巴基斯坦旁遮普省巴哈瓦尔普尔的本地市场。实验过程中使用去离子水作为溶剂。
碳点的优化合成
碳点的合成过程包括...
结果与讨论
我们通过一步水热碳化法利用可再生废弃物甘蔗渣制备了荧光氮硫共掺杂碳点（N,S/sc-CDs），并添加硫脲作为掺杂剂以改善其荧光性能。甘蔗渣作为碳源用于制备碳点，硫脲在升温过程中引入氮和硫元素。
结论
本研究表明，氮硫共掺杂是一种有效的方法，可将甘蔗渣转化为具有更高表面活性和电子转移能力的多功能碳点。氮和硫杂原子的协同作用显著改善了碳点的表面化学性质，使其能够高效清除化学自由基并快速催化降解有机污染物。
CRediT作者贡献声明
谢赫拉·帕尔文（Shehla Parveen）： 负责初稿撰写、研究指导和概念构思。
盖尤尔·阿巴斯·乔塔纳（Ghayoor Abbas Chotana）： 资源协调、数据分析。
诺琳·拉姆赞（Noreen Ramzan）： 初稿撰写、方法设计及实验研究。
贝尼什·巴图尔（Benish Batool）： 方法设计及实验研究。
纳伊玛·布卡里（Naeema Bukhari）： 数据验证、软件应用及方法优化。
阿克萨·坎瓦尔（Aqsa Kanwal）： 数据验证、软件应用及实验研究。
赛拉·阿斯加尔（Saira Asghar）： 文稿审阅与编辑、数据可视化及实验研究。
阿姆娜·雅库布（Amna Yaqoob）： 软件操作、数据管理及实验结果整理。
未引用的参考文献
[30], [31]
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。
