碳量子點在廢水處理領域的研究進展*

郭博森，王聞達，趙 航，詹培穎，羅衛(wèi)華,2,3

(1. 中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，長沙 410004；2. 中南林業(yè)科技大學 材料表界面科學與技術湖南省重點實驗室，長沙 410004；3. 中南林業(yè)科技大學 湖南省木本生物質轉化工程技術研究中心，長沙 410004)

0 引 言

由于人口的不斷增長，導致環(huán)境污染越來越嚴重，影響人類的生存和社會的可持續(xù)性發(fā)展。其中廢水處理是最受關注的問題之一。在全球范圍內，80%的廢水未經處理或再利用就返回生態(tài)系統(tǒng)。廢水處理的必要性和緊迫性將會給大多數國家?guī)砭薮蟮奶魬?zhàn)[1]。在各種農業(yè)、工業(yè)生產及家庭用水的過程中，都會產生廢水。而廢水中除了釋放到大氣中的無機和有機化學物質外，還含有人造污染物[2-3],其中含有脂肪、砷、氯、鈉、磷酸、鈉、碳酸氫鹽、鎂、鈣、揮發(fā)性酸、碳水化合物和銨鹽等有害物質[4]。此外，未經處理的廢水可觸發(fā)水污染，這種情況會危及人們獲得優(yōu)質供水，進而危及他們的健康[5]。因此，各國為了避免水環(huán)境退化影響到人們的日常生活，需要新的技術或新的材料改進現在廢水處理的弊端[6]。

隨著科技的發(fā)展，人們取得了一些技術進步和成就，但廢水處理在國際上仍然是一個嚴重的問題。與具有成本效益、可靠和環(huán)保的非常規(guī)技術相比，傳統(tǒng)的修復技術效率低下且對生態(tài)有害[7]。因此，研究人員把廢水處理的解決方法從宏觀世界轉移到微觀世界。納米技術的快速發(fā)展為廢水處理開辟了新的方向，但最受關注的碳納米管、富勒烯和石墨烯等納米材料的水溶性較差，難以在可見光區(qū)域提供強熒光，這極大地限制了它們的應用。因此，碳量子點(CQDs)作為一種新型碳基零維材料，具有原料來源廣、低毒性、成本低和生物相容性好等特點[8-10]，對廢水處理具有極大的潛在價值。截至目前，研究人員在CQDs的合成及應用方面做了許多工作并取得了重要進展[11]，所以在CQDs短暫的歷史中，已經出現了多種CQDs的合成方法及改性方式。文章綜述了各種CQDs的合成方法并分析了其優(yōu)缺點，之后著重從毒物質降解、毒物質監(jiān)測兩方面介紹了CQDs在廢水處理中的應用，并對其未來的發(fā)展進行了展望。

1 碳量子點的制備

自CQDs發(fā)現以來，人們已開發(fā)出了多種CQDs的合成方法。但研究人員仍在尋找簡易、廉價、尺寸可控、便于大規(guī)模生產高質量CQDs的方法。通常CQDs的制備方法可分為自上而下法和自下向上法兩大類[12]。自上而下法，通過物理或化學方法破壞較大的碳結構使其分散為尺寸一般小于10 nm的碳點，常見方法有激光蝕刻法、電弧放電法、電化學法等；自下而上法，是指將小分子通過化學聚合反應合成CQDs，代表方法有水熱法、微波法等。

1.1 自上而下法

電弧放電法[13]是最早制備出CQDs的方法，它是一種由密封反應器中產生的氣體、等離子體驅動陽極電極中大塊碳前驅體分解碳原子的方法[14]。在2004年，Xu等[15]首先用電弧法合成單壁碳納米管，再通過瓊脂糖凝膠和玻璃珠基質制備的電泳純化，最后分離出短管狀碳和黃橙色CQDs，這也是人類第一次制備出CQDs。但是CQDs純度不高，還摻雜了其他碳材料。雖然電弧放電法制備出的CQDs具有較好的熒光性，但是CQDs產率不高，粒徑也不均一，不適合工業(yè)化生產。

激光蝕刻法制備CQDs比較復雜，它是通過高能激光脈沖照射原材料表面，使其在高溫高壓下形成納米顆粒。2006年，研究者首次利用激光銷蝕法制備出了CQDs。他們先通過激光銷蝕原材料，然后將產物放置硝酸中回流，用聚乙二醇1500(PEG1500N)使其鈍化，最后再進行酸處理，制備出不同的CQDs[16](見圖1)。后來發(fā)現在激光輻照過程中，通過選擇適當的有機溶劑來改變CQDs的表面狀態(tài)，可以調整合成的CQDs的光致發(fā)光(PL)性質[17]。在此研究基礎上，研究學者報道了更簡單的激光銷蝕法來制備CQDs。他們用水、乙醇等簡單的有機溶劑作為液體介質，最后合成的CQDs表現出可見和可調的PL[18]。CQDs制備最主要的挑戰(zhàn)仍是量子產率，于是Cui等[19]通過超快高效雙束脈沖激光對低成本碳布進行燒蝕來合成CQDs。通過分束器將單激光束分成雙光束不僅縮短了激光燒蝕時間，提高燒蝕效率，而且獲得的CQDs比單束脈沖激光燒蝕獲得的CQDs尺寸更均勻，產率也高達35.4%。但是通常激光蝕刻法制備CQDs產量低、粒徑不均勻、成本高、需要的設備要求也較高。

圖1 PEG1500N鈍化后的CQDs[16]Fig.1 PEG1500N CQDs afterpassivation[16]

與激光蝕刻法相比，電化學法制備工藝操作簡便，通過循環(huán)伏安等化學方法剝離電極來制備CQDs。常用碳納米管和石墨作為碳源，因為它們是制備電極的理想材料[20-21]。在2007年，Zhou等[22]發(fā)明了一種將多壁碳納米管轉化為CQDs的方法，制備出藍色熒光納米晶體，但其產率為6.4%。另一種以碳納米管為原料，通過電化學法制備CQDs的方法是在帶有高氯酸鋰的碳酸丙二酯溶液中合成CQDs，該方法操作簡單，粒徑也均勻，但是產率僅有6.1%[23]。除此之外，以石墨、鉑和銀/氯化銀分別作為工作電極、對電極和參比電極，采用堿性醇作為電解質，制備出的CQDs顏色逐漸從無色變化成亮黃色。這種顏色的變化可能是由于表面氧化造成的，而且產量也相對較高達到11.2%。此外，還驗證了此CQDs可以檢測自來水中的鐵離子(Fe3+)[24]。雖然電化學法有眾多優(yōu)點，但其適合的反應較少，且需要特殊設備。

1.2 自下而上法

在大規(guī)模制備CQDs中，化學氧化法是一種簡單、高效的方法。它是將碳材料用強氧化劑進行處理來制備CQDs的方法。Peng等[25]通過使用濃硫酸脫去碳水化合物的水，產生碳物質，然后用硝酸處理碳材料使其分解為CQDs，最后用含胺封端的化合物使其鈍化。制備出能發(fā)出不同顏色的光且無毒害的CQDs，使其能夠在實際日常生活中應用。化學氧化法也可制備具有生物相容性的CQDs，可以通過選取煤塊、木頭、椰殼作為碳源，經過硝酸處理，制備出的CQDs表現出較強的熒光[26]。近年來，研究學者開發(fā)了一種通過化學氧化直接從活性炭中提取氧化碳量子點(QD)的簡便方法(見圖2)。該方法具有成本低、量子點產率高(>10%)和可大規(guī)模生產等優(yōu)點，所制備的氧化碳量子點其表面具有豐富的羧基，并表現出很強的電化學發(fā)光(ECL)活性，因此它在ECL生物傳感和成像方面有巨大的潛力[27]。

圖2 化學氧化法制備CQDs[27]Fig.2 Preparation of CQDs by chemical oxidationmethod[27]

水熱法是十分常見的一種方法，是將材料和溶劑放在密封的壓力容器中，通過在高溫下反應制備CQDs的方法。這種方法具有成本低、操作簡單的優(yōu)點[28-29]，且原料廣泛，果汁、葡萄糖、草葉等都可以作為它的原料[30]。Zhu等[31]采用水熱法制備的碳點產率高達80%，極大的提高了碳點的工業(yè)化生產。在研究水熱法制備CQDs的過程中，人們還發(fā)現通過調節(jié)石墨氮的量，可以制備具有不同波長可控熒光的全彩CQDs[32]。通過水熱法制備CQDs的具體過程就是將小的有機分子和聚合物溶解在水中，然后再將其在聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中加熱到高溫(100～200 ℃)。這些小的有機基團先連接在一起形成碳原核，然后生長成粒徑均小于10 nm的CQDs[33]。隨著人們對水熱法機理的不斷研究，發(fā)現富含碳氮生物分子可用來改變水熱冷縮作用下CQDs的內部結構，該方法是制備具有可調摻雜成分的電催化劑的理想方法[34]。近年來，制備出了符合一種綠色發(fā)展理念的CQDs，研究學者通過簡單的水熱法制備出了以木質纖維素農林生物質為前驅體的CQDs，所得木質纖維素基CQDs由于生物質成分的不同而顯現出不同的熒光。此外，通過研究基于木質纖維素的CQDs的熒光效應、產率和猝滅響應效率，還發(fā)現木質纖維素生物質中較高的非結構糖可以提高CQDs的產率[35]。

微波法是一種高效、綠色的方法，得到了人們廣泛運用。因為微波處理可以提供密集和高效的能量，從而縮短反應時間，使其可以快速和大規(guī)模制備CQDs；也因其提供均勻和同步的加熱，能得到尺寸較均勻的CQDs[36-38]。根據微波輔助工藝，可以用雞蛋殼薄膜灰為原料，使雞蛋殼薄膜灰中的電子在開關電子場下劇烈地旋轉和振動，致使微小的碎片脫落后生長成一定尺寸的顆粒，最后將顆粒鈍化，得到CQDs[39]。這種方法成本低廉、便于推廣。Ding等[40]以1,6-己二胺二鹽酸鹽和二甲基亞砜作為前驅體，通過一步微波法合成了產率為24%的氮-硫共摻雜碳量子點(N/S-CQDs)(見圖3)。結果顯示此CQDs可以運用到細胞成像，不過此CQDs可能會造成二次污染，不適合于廢水處理。

圖3 微波法制備CQDs[40]Fig.3 The CQDs were prepared by the microwavemethod[40]

模板法也是納米材料制備中常用的方法，在CQDs的合成中得到了廣泛的應用，此方法的特點是可以得到尺寸均一的碳量子點。模板法通常是以成本低等特定的物質為模板，后將材料沉積到模板上得到CQDs的方法。可以用兩性聚合物F127和二氧化硅復合物為模板，將酚醛樹脂作為碳源，再通過強堿溶液除去硅載體獲得CQDs[41](見圖4)，制備過程比較復雜。之后研究者開發(fā)出一種新的、簡便的制備親水性CQDs的方法。具體是以N-十六烷基胺為表面活性劑，以四乙氧基偏硅烷為前驅體，以氨為催化劑，先制備了質譜球。再以此為納米反應器，檸檬酸為碳前驅體，用浸漬法制備出不需要任何表面鈍化，則具有較強的藍色發(fā)光性能且產率為23%的CQDs[42]。

圖4 模板法制備CQDs[41]Fig.4 The CQDs were prepared by the templatemethod[41]

2 碳量子點在廢水中的應用

CQDs由于表面積大、高的催化活性、光致發(fā)光等優(yōu)異特性在廢水處理中有著巨大的潛在價值。CQDs可以作為催化劑，來降解廢水中的毒害物質。例如可作為光催化劑，通過光的照射來降解、凈化有毒物質。此外，快速、準確監(jiān)測廢水中的重金屬離子是目前急需解決的問題。可以將CQDs作為熒光探針，利用CQDs的熒光特性，從而檢測出重金屬離子是否存在。

2.1 毒物質降解

2.1.1 催化劑

開發(fā)出低成本、無毒、高效光催化劑對于水污染處理至關重要。眾多研究發(fā)現環(huán)境相容的光催化劑在廢水處理中領域有非常重要的作用。CQDs具有的高比表面積和在其表面的含氧官能團使它們成為去除污染物[43]的有效吸附劑和降解廢水中污染物的有效光催化劑[44]。可以使用CQDs修飾甲酸氧鉍(BiOCOOH)，來解決光催化劑的紫外線限制，同時提高其光催化活性。合成可見光驅動的復合催化劑CQDs/BiOCOOH的具體過程為先將BiOCOOH和CQDs分散在乙醇和超純水中，然后再把溶液置馬弗爐中反應，最后沖洗、干燥得到CQDs/BiOCOOH光催化劑。結果發(fā)現廢水中雙氯芬酸的光降解反應速率比在原始BiOCOOH降解下快4.64倍，而且還發(fā)現CQDs/BiOCOOH復合催化劑也可用于其他新興污染物(PPCPs)的降解[45](見圖5)，這表明其具有優(yōu)異的脫氯、礦化和脫毒性能。可以降解多種廢水污染物的CQDs復合材料還有基于CQDs、溴氧化鉍(BiOBr)和塊狀石墨碳氮化物(gC3N4)，通過水熱法制備的CQDs-BiOBr/CN光催化劑。實驗表明CQDs-BiOBr/CN復合材料在120 min內對頭孢克肟降解率為92.82%，并可重復使用，對廢水中抗生素污染物降解表現出非常好的實際效用。此外，CQDs-BiOBr/CN對大腸桿菌也表現出優(yōu)異的光催化活性[46]。這種可以降解多種污染物的光催化劑為廢水處理的研究開辟了新的方向。

圖5 CQDs作為光催化劑降解廢水中的DCF[45]Fig.5 CQDs act asphotocatalysts to degrade DCF in wastewater[45]

PPCPs作為一種新興污染物，是目前急需解決的污染物種類。近年來，PPCPs以原始或被轉化形式排入到污水中，進而污染到人們日常的飲用水。其中卡馬西平(CBZ)由于其存留時間長、不易降解等原因是目前最主要的醫(yī)藥污染物。Qi等[47]使用蘆葦秸稈制備的生物質CQDs，對CBZ表現出良好的降解和礦化能力。他們用生物質CQDs修飾具有Z型結構的MgIn2S4/氯氧化鉍(BiOCl)異質結光催化劑，提高了CBZ在水溶液中的光催化降解性能，為生物炭材料光催化處理水中PPCPs提供了綠色研究方向。除此之外，還有一種方法是以玉米芯為原料，通過光誘導法合成新型環(huán)保光催化劑Fe3O4/BiOBr/CQDs，此催化劑可以在120 min的光照射下去除99.52%的CBZ[48]，證明了光誘導法比水解法可以更好地修飾CQDs，因此合成的綠色光催化劑在水污染物處理方面具有更好的應用前景。CQDs也是廢水中有機染料分解的有效催化劑。采用攪拌器輔助法以甜瓜皮為碳源合成藍色熒光碳量子點，在陽光和超聲波作用下降解羅丹明B，日光下CQDs對羅丹明B的降解效率為99.11%[49]。Sabet等[50]通過水熱法由成本非常低的雜草為原料，合成了粒徑微小且均勻的氮摻雜碳量子點(N-CQD)，研究發(fā)現它在降解酸性藍、酸性紅、曙紅Y、羊毛鉻黑T、甲基橙和亞甲藍6種染料的同時還從水中去除了鎘離子(Cd2+)和鉛離子(Pb2+)，因此這種由雜草合成的CQDs是去除廢水中有機和無機污染物的良好材料。

總有機碳(TOC)含量是衡量水有機污染的重要指標，因此有效降解TOC對于解決廢水污染是至關重要的。采用原位生長法制備α-羥基氧化鐵(α-FeOOH)，橙皮水熱氧化[51]制備CQDs，合成了帶針狀結構的電催化劑CQDs/FeOOH。實驗結果證明，經過60 min后，CQDs/FeOOH可有效去除約99.6%的左氧氟沙星和53.7%的TOC[52]。此催化劑對于TOC的降解能力較低，但是Qi等[53]使用離子蝕刻法制備了N摻雜的生物質碳量子點(N-CQDs)修飾的pn異質結光催化劑BiO2-x/BiOCl，結果發(fā)現經過120 min后，對TOC的去除效率達到了89.40%。它在磺胺類抗生素的光降解中也表現出較強的催化活性。

雖然光催化技術在廢水處理領域逐漸成熟，但是設計高效的光催化劑和自由基降解污染物的機理仍需研究。因此，以CQDs修飾釩酸鉍(BiVO4)和β-FeOOH，采用靜電自組裝法制備S型異質結光催化劑BiVO4/CQDs/β-FeOOH，在可見光照射下，15 min后氧氟沙星去除率達到99.21%，更重要的是，該結果揭示了光催化過程中的主要反應基團會隨著pH條件的變化而發(fā)生定向轉化的現象[54]，這可以為降解廢水污染物所需的最適pH研究提供巨大幫助。

2.1.2 復合膜

用于污染物降解和抗菌應用的多功能光催化劑通常需求量很大，但它們在電荷轉移和光捕獲能力方面效果較差。通過水熱法制備的Z型海綿狀N/S-CQDs/鉬酸鉍/二氧化鈦薄膜可以解決這種問題。這種三元薄膜在可見光和近紅外光下顯示出增強的光催化效率，在經過240 min，可見光照射下，環(huán)丙沙星降解率為85.8%；近紅外光照射下降解率為44.6%。此外，該復合膜有效地實現了對革蘭氏陽性枯草芽孢桿菌和革蘭氏陰性大腸桿菌的光催化殺菌[55]。這種薄膜相對方便的回收利用性能和優(yōu)異的光催化性能為工業(yè)化發(fā)展提供了巨大幫助。CQDs可作為膜中的納米填料與其他材料復合，來增強復合膜的殺菌能力[56]。Mabborang等[57]通過靜電紡絲合成的CQDs-聚丙烯腈/聚己內酯納米復合膜，用于吸附重金屬銅離子(Cu2+)。納米纖維墊的吸附容量隨接觸時間的增加達到最大值63.45 mg/g，最大吸附效率為90.74%。

復合膜除了吸附去除重金屬離子外，最重要的作用仍是去除有機染料。采用溶液鑄造法制備出聚乙烯醇(PVA)/CQDs納米復合材料薄膜，去除廢水中的亞甲基藍染料，經過40 min后去除效率約為97.1%，且PVA/CQDs復合材料薄膜重復使用5次后離子吸附效率依然保持穩(wěn)定[58]。以啤酒廢料為前驅體，通過水熱法合成自帶氮摻雜的CQDs，后將其封裝在PVA基質中。結果發(fā)現，亞甲基藍可以有效地從水溶液中吸附到復合水凝膠中，并在紫外線照射下完全降解[59](見圖6)，這為開發(fā)基于自然廢物資源的CQDs并將其運用于廢水處理領域提供了巨大幫助。目前對廢水處理應用最多的便是各種光催化劑，基于CQDs的光催化劑研究也逐漸成熟，但許多仍在實驗階段，并未投入生產使用。從經濟、環(huán)保等各方面實際考慮，CQDs光催化劑在廢水處理方面的應用還需進一步研究。

圖6 PVA/CQDs水凝膠復合薄膜降解亞甲基藍效果圖[59]Fig.6 Effect diagram of methylene blue degradation in PVA/CQDs[59]

2.2 毒物質監(jiān)測

CQDs不僅在去除廢水有害離子中有重大作用，而且也可用作廢水中雜離子的監(jiān)測。雖然制備出的大量CQDs對雜離子都有非常高的靈敏度，但大多數CQDs都會對廢水造成二度污染，反而對廢水處理產生了負面影響。因此，制備出無毒害、環(huán)境相容性好的CQDs至關重要。可以利用各種典型的農作物作為碳源合成CQDs，得到的CQDs熒光性好、粒徑均勻。由于表面羥基和羧基的存在，合成的CQDs在水中高度分散[60]，可作為熒光探針用于檢測Fe3+離子，該研究對于將農作物廢棄物轉化為高附加值產品具有重要意義。采用綠色制備理念的Huang等[61]用草莓汁在聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中合成含氮的熒光碳量子點，這種CQDs對于汞離子(Hg2+)敏感且無毒害，可以檢測水中Hg2+。對于檢測廢水中Hg2+的研究還有以檸檬酸鈉和尿素為前驅體，通過電化學碳化制備一種平均粒徑為2.4 nm的藍色熒光CQDs，結果表明，它也可作為廢水中Hg2+的高靈敏度檢測器[62]。直接熱解技術與微波輔助相結合技術是一種新興的制備方法。結果表明，利用這種方法所開發(fā)的CQDs對氨(NH3)的顯示出有效的熒光，可用作水環(huán)境樣品中NH3濃度的選擇性監(jiān)測[63]。制酒產業(yè)的興起，產生了大量的酒糟，浪費了資源，研究人員通過對酒糟進行熱處理，合成在光激發(fā)下可以發(fā)出紅光的碳量子點(R-CQD)，R-CQD的PL強度取決于含有R-CQD溶液的pH值，并且pH響應是可逆的，表明R-CQD可用于pH傳感器。另外，當將鉻離子添加到具有R-CQD的溶液中時，可以觀察到R-CQD的熒光猝滅[64]，因此只需通過標準PL測量，就可以對溶液中的鉻離子進行檢測。除此之外，還有Keerthana等[65]以L-絲氨酸和檸檬酸為原料，采用一步微波技術合成N/CQD，隨后使用硼酸對N/CQD進行硼功能化，以合成B-N/CQD(見圖7)。以此開發(fā)了一種新型熒光傳感器，用于檢測工業(yè)廢水中的主要污染物苦味酸。目前，基于CQDs的毒物質監(jiān)測大多數是監(jiān)測毒離子，因此對于廢水處理應用有一定的局限性。

圖7 B-N/CQD制備原理圖[65]Fig.7 Schematic diagram of the B-N/CQD preparation[65]

CQDs最主要的監(jiān)測方式是制備成熒光探針。將CQDs氨基功能化后作為熒光探針，由于鉻陰離子(Cr(Ⅵ))與CQD表面的氨基之間形成了離子鍵，所以這種CQD熒光對Cr(Ⅵ)選擇性猝滅[66]，這種化學傳感方法在復雜的溶液中，具有非常好的效果。Zhao等[67]通過一步水熱法合成了新型B/N-CQD，其中選擇3-羧基苯基硼酸和乙二胺作為前驅體。所獲得的B/N-CQD對鈷離子(Co2+)表現出較好的識別能力，可作為監(jiān)測Co2+的熒光探針,此外，這種探針首次用于人尿中Co2+的監(jiān)測。表明了B/N-CQD是檢測環(huán)境水樣中Co2+的理想探針。重工業(yè)的發(fā)展需求造成了廢水中Fe3+含量過高，Fe3+是廢水中含量較多的陽離子之一。為了解決CQDs的團聚效應并增加其識別位點，合成CQDs-3,4,9,10-芘四羧酸(N-CQDs/PTCA)復合材料，以此作為熒光探針，選擇性地檢測Fe3+。結果表明，該方法快速、檢測信號明顯、選擇性強，為利用自組裝法檢測Fe3+提供了新方向[68]。但這種方法可能會造成二次污染，不符合綠色發(fā)展理念。可以通過采用生物質木質素作為碳源，兩步法合成CQDs。先是將木質素酸解離，然后木質素片段的芳香再融合。該CQDs納米探針對濃度為0～300 μmol/L的Fe3+具有高度靈敏的響應[69]。可再生生物質木質素的利用不僅為CQDs的可持續(xù)、低成本和大規(guī)模生產提供了新方向，而且為傳感領域提供了一種新型的納米探針，因此CQDs在工業(yè)廢水中的危險物質監(jiān)測方面有相當大的潛力。

2.3 多功能應用

部分CQDs還可以在廢水處理中表現出多重作用。例如采用一步水熱法由蟹殼廢料為原料合成亮綠色熒光CQDs[70]。此種CQDs除了表現出出色的Cd2+檢測外，同時還表現出對大腸桿菌和肺炎克雷伯菌兩種水傳播病原體的抗菌活性。在高鹽度條件下，監(jiān)測Co2+是非常困難的，現有對Co2+的傳統(tǒng)處理方法也非常容易產生二次污染且能耗高,但是Ren等[71]采用一步水熱法成功制備出了基于天然深共晶溶劑的N-CQDs,合成的N-CQDs表現出優(yōu)異的熒光性和高耐鹽性，首次實現了高鹽度條件下水中Co2+的同時監(jiān)測和處理。近來，研究學者開發(fā)出了一種使用人指甲作為綠色前驅體，通過水熱制備CQDs的簡便方法。指甲衍生的CQDs(FN-CQDs)可以選擇性地監(jiān)測的Cu2+,在陽光照射下可以有效去除2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)，特別是與純石墨氮化碳合成FN-CQD/gC3N4復合材料之后，在75 min內成功去除了100%的2,4-DCP[72]。這種能同時監(jiān)測和處理毒害物質的CQDs對未來廢水處理具有深遠的影響，但是目前這種CQDs研究較少，而且從經濟效益和工業(yè)化考慮其在廢水處理的應用中還不夠成熟。

3 結 語

CQDs的合成方法已經得到廣泛應用，特別是水熱法因其簡便、低成本等特點成為了最有可能讓CQDs實現工業(yè)化的制備方法。目前，CQDs的制備材料也都趨于使用水果、植物、木質素等一些綠色材料，使用的制備工藝經過十幾年的優(yōu)化，具有一定的經濟性和高效性。但是研究者很少使用與上述材料具有類似化學結構(碳基、羧基和羥基)組成的可持續(xù)材料，這不符合廢物利用的環(huán)保發(fā)展策略；水熱法的反應時間較長限制了其發(fā)展，因此，現有的制備工藝都未能實現CQDs工業(yè)化生產；而且，制備的CQDs單純發(fā)射長波長的紅色熒光較少，近紅外一區(qū)和紅外二區(qū)幾乎沒有。無論是產率還是熒光性能，CQDs的制備都側重于材料的選擇和制備方法的改進。此外，通過共晶溶劑預處理材料來減少反應時間和降低毒性也是不錯的研究方向。總之，未來CQDs研究的重心應為其精確的原子結構和熒光機理，這可為合成高產率、熒光效果更好的CQDs提供良好的研究基礎。

CQDs因其低毒性和PL特點，在廢水處理領域中得到了廣泛應用，特別是作為光催化劑降解有機污染物和作為熒光探針等傳感器監(jiān)測金屬離子等方面。但是無論是CQDs的制備還是在廢水處理中的應用目前都還不夠成熟，而對于CQDs未來在廢水處理領域挑戰(zhàn)主要為：(1)CQDs作為光催化劑，對能有效降解的毒物質單一且具有不穩(wěn)定性，容易受到pH、溫度及光照強度的影響；(2)CQDs作為熒光探針等傳感器來監(jiān)測廢水中的毒離子，CQDs存疑的光致發(fā)光機理，會對CQDs的熒光猝滅準確性產生影響；(3)CQDs具有較大的比表面積，具有很強的吸附性，但是其毒性累積造成的間接危害一直未得到有效解決。隨著納米智能新型多維分析工具的出現，研究人員能夠明確CQDs的結構和光致發(fā)光特性之間的關系，這可以為未來碳量子點在廢水處理領域中更好的應用提供理論依據。