原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gce.2025.10.004

原文PDF：1-s2.0-S2666952825000974-main.pdf

【文章导读】

纳米技术的迅速发展推动了碳基纳米材料的开发，其中碳点（CDs）因其可调的光学特性、生物相容性和易于功能化而成为一类用途广泛的材料。生物质衍生的碳点（BCDs）因其固有的结构灵活性、卓越的生物相容性以及环境可持续性而备受关注，被视为具有多功能性的纳米材料，有望取代传统由有机前体衍生的碳点。然而，目前的研究主要侧重于报告“哪种生物质”会产生“哪种生物质衍生的碳点”，而忽略了前体选择与生物质衍生的碳点的性能和应用之间的关键联系。

近期，东南大学化学化工学院的任丽丽教授等在Green Chemical Engineering (GreenChE) 上发表了题为“From biomass to wealth: biomass-derived carbon dots for green synthesis, photoluminescence mechanisms and multifunctional applications”的综述性文章，对生物质衍生碳点的研究进展进行了系统分析，系统地提出了“前体设计-生物质衍生碳点的机理与性质-应用场景”的针对性设计思路，概述了生物/环境安全性、工业化挑战以及未来展望，以指导下一代技术设计生物质衍生碳点的合理方案。

【研究亮点】

●  总结了目前提出的生物质衍生碳点的荧光机制。

●  制定了将生物质类型与生物质衍生碳点的性质和应用联系起来的框架。

●  重新划分了生物质衍生碳点的合成方法分类标准。

【内容概述】

本文对生物质衍生碳点的研究进展进行了系统分析，特别强调了前体选择、合成方法、光致发光机制以及多种应用。该综述还强调了利用丰富的生物质资源（包括植物和动物衍生物、微生物和塑料废弃物）来绿色合成生物质衍生碳点。对不同的合成策略进行了严格评估，以衡量其效率、可扩展性和环境影响。讨论了生物质衍生碳点的光致发光机制，以揭示其复杂的结构-性能关系，并提出了可行的方法来区分这些机制。此外，还对生物质衍生碳点在生物成像、传感、光电器件、防伪以及其他领域的应用进行了全面综述（图1）。

图1. 生物质衍生碳点的前驱体、合成、荧光机理和应用。

（1）生物质衍生碳点的前驱体

生物质作为碳点的前体，因其来源广泛、成本低廉、环境友好且本身富含杂原子或生物活性成分，在合成过程中可实现自掺杂，无需复杂后修饰，表现出显著优势。可利用的前体多种多样，包括植物衍生物（如树叶、果蔬、中草药）、动物衍生物（如蟹壳、鱼鳞、毛发、乳制品）以及微生物和塑料废弃物。这些前体的选择通常遵循“量身定制”策略，需权衡材料特性（如叶绿素丰富的生物质有助于合成红光/近红外发射生物质衍生碳点，利于生物医学应用）、可持续性（优先考虑农业废弃物等）以及目标应用需求。此类绿色合成方法为废弃物的高值化转化和可持续纳米材料的开发开辟了道路。

图2. 中草药衍生碳点。

（2）生物质衍生碳点的合成方法

根据是否需要外部能量来促进生物质转化，将生物质衍生碳点的合成方法重新分类为直接方法和辅助方法（图3）。其中，直接方法（例如溶剂热法、热解法和化学氧化法）涉及利用生物质前体的固有反应性来提取或碳化生物质成分。辅助方法（例如激光烧蚀法、微波法和电化学法）利用外部能量源来提高反应效率。这种重新分类更准确地体现了生物质转化的本质，从而更好地反映生物质衍生碳点的形成过程。

图3. 生物质衍生碳点合成方法的分类。

（3）生物质衍生碳点的荧光机理

生物质衍生碳点的荧光机理主要源于三种相互关联的机制：碳核态、表面态和分子态。碳核态与碳核sp²共轭域的大小有关，其量子限域效应影响发射波长。表面态则由连接在碳核表面或边缘的官能团（如C=O、-OH和C=N）形成，这些表面缺陷引入新的能级，常导致多色发光和激发波长依赖性行为。分子态则归因于在合成过程中形成或前驱体中固有的荧光分子的发射。由于生物质前驱体的复杂性，生物质衍生碳点的荧光通常是多种机制协同作用的结果。

（4）生物质衍生碳点的应用

生物质衍生碳点凭借其优异的生物相容性、可调谐荧光和表面易功能化等特性，在生物医药、传感检测、光电器件、防伪与加密、能源环境等多个领域展现出广泛应用前景。

图4. 生物质衍生碳点的应用。

（5）生物/环境安全和工业化挑战

生物质衍生碳点从实验室走向实际应用，需克服生物安全性、环境可持续性及产业化等多重挑战。其生物相容性和纳米毒性具有剂量与表面化学依赖性，需通过标准化评估；环境可持续性则取决于其生物降解能力，是否存在长期生态风险。进行全面的生命周期评估（LCA）是验证其“绿色”的关键。产业化瓶颈包括低成本规模化制备技术、固态荧光猝灭问题以及缺乏针对不同应用场景的明确法规与标准。系统解决这些挑战是生物质衍生碳点未来发展的核心。

图5. 生物质衍生碳点的生物/环境安全和工业化挑战。

【总结与展望】

生物质衍生碳点在纳米技术领域代表了一种具有革命性意义的创新方法，符合可持续性和创新的原则。通过加深对它们的前体、合成方法、机制以及应用的理解，生物质衍生碳点的潜力将得以释放，以应对全球健康与安全以及环境可持续性方面的紧迫挑战。这篇综述为研究人员和从业者提供了探索生物质衍生碳点研究前沿的路线图，并推动我们朝着循环经济和更绿色的未来迈进。

【通讯作者简介】

任丽丽，东南大学化学与化工学院教授，博士生导师。主要研究方向为功能材料（气凝胶、碳量子点）和多相催化（电化学水分解、过渡金属化合物）研究。迄今为止以第一/通讯作者发表SCI论文130篇。

秦福，东南大学化学与化工学院在读博士生。2017年，毕业于扬州大学获得工学学士学位。2024年毕业于东南大学获得工学硕士学位。目前的研究重点是碳点的光致发光调控及其应用研究。

【文章信息】

F. Qin, L. Ren, From biomass to wealth: biomass-derived carbon dots for green synthesis, photoluminescence mechanisms, and multifunctional applications, Green Chem. Eng., https://doi.org/10.1016/j.gce.2025.10.004.

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

【期刊简介】

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子7.6，位列Q1区，最新CiteScore为15.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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