快速工业化进程的加剧使得水污染与能源危机成为全球最为紧迫的挑战。重金属即使在微克每毫升的低浓度下，也能在生物体内积累并引发不可逆的神经与免疫损伤。这一潜在威胁凸显了发展高效水处理技术的重要性，例如荧光探针、颗粒/膜吸附以及化学沉淀等方法。然而，现有技术大多功能单一、缺乏协同性，难以构建集成化、多功能的处理平台。这些局限共同反映出当前技术仍处于“线性被动处理”阶段，亟需向具备“自我报告、自我净化与自我回收”能力的智能闭环系统演进。
在天然材料中，巴沙木因其独特的三维微通道结构而备受关注，展现出作为可持续水处理平台的巨大潜力。然而，其对Cu²⁺的选择性吸附能力有限及活性位点不足制约了其实际应用。前期研究通过水热法从农业废弃物中提取的木聚糖合成了荧光碳点，其表面富含羧基与氨基，为金属离子的识别与结合提供了活性位点。然而，仅依靠荧光木材实现离子检测与吸附尚未充分发挥其潜力。近年来，基于木材的太阳能驱动界面蒸发策略成为一种极具前景的替代方案，有望突破上述局限。巴沙木的多通道结构不仅有利于水分传输与光管理，还可实现材料在水面的长期稳定漂浮。这一特性使得污染物吸附与水分蒸发得以同步进行，并有效抑制污染物的释放。由此引出一个关键问题：使用后的荧光木材能否进一步转化为高附加值的光热蒸发材料，从而在一个集成系统中同时实现废物资源化与太阳能水净化？
为此，深圳大学彭孝军院士、李明乐教授、陈小强教授与南京林业大学黄超伯教授合作，开发了一种多功能木质水净化装置，该装置融合了荧光碳点功能化、木材结构工程与太阳能驱动界面蒸发技术。研究证明，该系统不仅可实时检测并捕获重金属，还能通过原位硫化反应将吸附饱和的材料转化为可回收的矿物资源，从而同步实现金属回收与水净化（图1）。具体而言，通过浸渍-原位交联法将ZIF-8比率型荧光碳点复合，并固载于脱木素轻木的孔道表面，形成具有Cu²⁺特异性识别与吸附能力的界面层。吸附位点饱和后，捕获的重金属离子经原位硫化反应转化为高效光热材料。在1.0 kW·m⁻²光照下，所得蒸发器（DRZ-CDs-DW-CuS）的蒸发速率达3.542 kg·m⁻²·h⁻¹，并能在气‑液界面处富集重金属，避免了焚烧或填埋可能引发的二次污染。此外，该材料进一步集成于一套混合式室内‑室外脱盐平台，可支持植物全生命周期生长，实现了与自然蒸腾过程的功能耦合。该技术具备近零能耗、无二次污染、操作简便等优势，为偏远地区、岛屿及应急场景提供了可行的水净化解决方案。相关成果以“Robust Sustainable Biomass Fluorescent Wood for Heavy Metal Removal and Solar Water Purification”为题，发表在Advanced Materials上。
重要图文
图1 | 用于检测、去除和重新利用铜离子的多功能系统的流程，该系统可将其转化为用于清洁用水和作物灌溉的光热蒸发器。
图2 | D-CDs的合成及结构表征。（a）木质素衍生D-CDs的水热合成示意图。（b）透射电子显微镜图像，（c）颗粒尺寸分布直方图，以及（d）所制备的D-CDs的高分辨率透射电子显微镜图像。（e）XPS全谱及相应的高分辨率谱图（f）C1s、（g）N1s 和（h）O1s。
图3 | D-CD对Cu2+及其他物质的荧光响应和选择性。（a）D-CD对各种物质的选择性（1：DR-CDs，2：K+，3：Ca2+，4：Co2+，5：Na+，6：Mg2+，7：Fe2+，8：Al3+，9：Ni2+，10：Hg2+，11：Mn2+，12：Zn2+，13：Pb2+，14：Fe3+，15：Cu2+，16：Cr3+，17：Hcy，18：Gly，19：Cys，20：CN−，21：ACO−，22：HPO42−，23：NO2−，24：SCN−，25：HS−）。（b）随着Cu2+浓度增加的D-CD的荧光滴定光谱。（c）Stern–Volmer图（F0/F）与Cu2+浓度的关系，进行线性拟合。（d）在存在竞争物质的情况下，D-CDs + Cu2+系统的荧光响应（1：DR-CDs，2：K+，3：Ca2+，4：Co2+，5：Na+，6：Mg2+，7：Fe2+，8：Al3+，9：Ni2+，10：Hg2+，11：Mn2+，12：Zn2+，13：Pb2+，14：Fe3+，15：Cu2+，16：Cr3+，17：Hcy，18：Gly，19：Cys，20：CN−，21：ACO−，22：HPO42−，23：NO2−，24：SCN−，25：HS−）。（e，f）在（e）25℃和（f）37℃下，D-CD和D-CDs + Cu2+的F0/F随时间的稳定性。
图4 | DR-CDs的合成及荧光检测特性。（a）通过酰胺化反应制备的比率型荧光探针DR-CDs的示意图。（b）随着Cu2+浓度的增加，Rh-B的荧光滴定光谱。（c）校准曲线显示Rh-B的比率（F0/Fmax）与Cu2+浓度的关系，在低浓度范围内进行了线性拟合。（d）在不同激发波长下DR-CDs的荧光发射光谱。（e）DR-CDs在Cu2+浓度增加时的荧光滴定。（f）DR-CDs对 Cu2+的比率响应，在低浓度区域进行了线性回归。（g）Cu2+添加前后DR-CDs的荧光强度比值的比较。
图5 | 荧光木材（DRZ-DW）的合成及结构表征。（a）DRZ-DW制备过程的示意图。（b）自然木材（左）和脱木质素木材（DW，中间）的数字照片，以及（c）DW结构的扫描电子显微镜图像（右）。（d）在自然光下（左）和紫外光下（中）的DRZ-DW图像，以及相应的扫描电子显微镜形态图（右）。（e）DRZ-DW的能谱元素成像。（f）确认元素组成的XPS全谱。（g - i）高分辨率XPS光谱（g）O1s、（h）C1s 和（i）Zn 2p区域。
图6 | DRZ-CDs-DW用于去除铜离子的合成及吸附性能。（a）用于去除铜离子的DRZ-CDs-DW的制备过程示意图。（b）溶液浓度对铜离子去除效率和吸附容量的影响。（c）铜离子的吸附动力学。（d）不同初始铜离子浓度和温度下的平衡吸附容量。（e）针对铜离子吸附的朗缪尔等温模型拟合。（f）DRZ-CDs-DW在连续吸附-解吸循环中的可回收性。（g）对Cr3+、Hg2+和Cu2+的吸附容量的比较。（h）在不同初始铜离子浓度下的去除效率。（i）时间依赖性的去除效率曲线。
图7 | DRZ-CDs-DW-CuS复合材料的制备及太阳能蒸发性能。（a）DRZ-CDs-DW-CuS太阳能蒸发器的制备过程示意图。（b）DRZ-CDs-DW-CuS的扫描电子显微镜图像及相应的能谱元素图。（c）高效太阳能驱动界面蒸发系统的工作原理。（d）在潮湿条件下，DRZ-CDs-DW-CuS随时间变化的红外热图像。（e）DRZ-CDs-DW-CuS、DRZ-CDs-DW + Cu2+和原始DW 的平均表面温度的比较。（f）DRZ-CDs-DW-CuS、DRZ-CDs-DW + Cu2+和DW随时间的蒸发质量损失。（g）对原始黄海水和由DRZ-CDs-DW-CuS系统净化的水的电导率测量。（h）DRZ-CDs-DW-CuS表面内部太阳能溶解过程的可视化演示。
图8 | 太阳能淡化——基于DRZ-CDs-DW-CuS的种植系统。（a）室内装置的示意图，包括玻璃蒸发器、卷心菜植株以及DRZ-CDs-DW-CuS材料。（b）在使用海水、地下水和该系统淡化后的水进行灌溉后黄豆的生长情况。（c）户外系统设计的示意图。DRZ-CDs-DW-CuS材料漂浮在湖面上。（d）评估DRZ-CDs-DW-CuS环境安全性的黄豆植株毒性测试。
研究结论
本研究从农业与林业废弃物中提取的木聚糖被用作合成碳点（CDs）的碳源，并以天然木材作为复合材料的构建基质。该策略的核心优势在于其突出的绿色经济性：其一，实现了对低成本、可再生生物质资源的高附加值利用；其二，合成过程以水为溶剂，避免了有毒有机试剂的使用，能耗较低，从而构建了一个从“废弃物”到“水净化材料”的可持续闭环系统。具体而言，开发了一套集成式水处理系统，能够实现对重金属离子的完整“检测‑吸附‑转化‑再利用”循环。本工作的核心创新在于，在可持续的木材基质中，原位组装了源自木聚糖的比率型碳点与ZIF-8，构建出一个多功能协同、可持续的水体修复平台。
综上所述，本研究构建了一种面向重金属污染治理与资源回收的“无废处理”新策略。该策略不仅降低了环境修复成本，同时为农林废弃物的资源化利用提供了创新路径，展现出良好的规模化应用潜力与成本效益。展望未来，本研究构建的平台有望进一步拓展至高盐工业废水、酸性矿山排水等复杂水体的净化。后续研究可聚焦于系统的模块化设计与集成，以推动其在实际场景中的灵活应用与工程化推广。
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https://doi.org/10.1002/adma.202522271
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