中国是世界上种植茶（Camellia sinensis（L.）Kuntze）的面积最大的国家,每年在栽培管理、加工利用以及品种更新换代过程中,会产生大量的茶树废弃资源（约600万吨/年）。但是,这些数量巨大的茶树废弃物未能得到高值化利用,通常是被焚烧或丢弃,造成严重的大气污染和土壤酸化等环境问题。更重要的是,茶树废弃物不同于其他生物质废弃物,其具有含量较高的咖啡碱（1-3%）和氨基酸（2-5%）,是天然的富氮材料,因此,茶树资源被认为是非常理想的原位制备氮掺杂生物质碳材料的前体物质。近年来随着工业的快速发展,重金属污染问题日益严重,危害了动植物及人类健康。氮掺杂碳材料因其价廉易得和独特的理化性质,可作为优良的重金属吸附剂和检测剂。本研究采用茶树废弃枝条作为前体材料,通过原位水热碳化法成功制备了新型氮掺杂碳材料,不仅为污水中重金属离子的吸附和检测提供技术支撑,也可以实现茶树废弃枝条的高值化利用,拓宽茶树资源的应用领域和产业价值。研究的主要结果如下:1. 利用尿素/Zn Cl₂原位水热碳化法,在120-280℃,1.0-9.8 MPa压强条件下水热反应2 h成功制备了茶树枝氮掺杂生物炭,利用SEM、BET、拉曼光谱、XRD和XPS等技术对氮掺杂生物炭的结构进行了表征,并对生物炭吸附Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Cr⁶⁺重金属离子的性能和机理进行了研究。研究结果表明:生物炭的氮元素最大掺杂量为7.79%,主要以吡啶氮,吡咯氮和石墨氮三种形态存在。氮掺杂生物炭属于介孔材料,孔径主要分布在3-50 nm范围内。生物炭UHC-240对重金属离子Cu²⁺、Pb²⁺和Cr⁶⁺的吸附表现较好,UHC-280对Zn²⁺的吸附量较大。生物炭对重金属的吸附过程符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学方程。2. 利用KOH/NH₄Cl原位水热碳化法,在120-280℃,0.4-6.5 MPa压强条件下水热反应2 h成功制备了茶树枝氮掺杂生物炭。生物炭的表征分析和对重金属吸附的研究结果表明:最大掺氮量可以达到6.18%,属于介孔材料。生物炭KHC-240对重金属离子Cu²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺的吸附表现较好,KHC-200对Cr⁶⁺的吸附量较高。Langmuir等温吸附模型和准二级动力学方程更符合生物炭对重金属离子的吸附结果。3. 采用尿素/Zn Cl₂原位水热碳化法在160-280℃,0.8-8.9 MPa压强条件下水热反应2 h成功制备了茶树枝氮掺杂碳纤维。碳纤维的表征分析及对重金属吸附的研究结果表明:碳纤维具有丰富的孔隙结构,以孔径在2-30 nm范围内的介孔结构为主。高温高压条件下,碳纤维中的氮元素含量显著增加到8.96%,主要存在吡啶氮和石墨氮两种氮元素形态。碳纤维NCF-240对重金属离子Cu²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺的吸附量较高,NCF-280对Cr⁶⁺的吸附表现较好。Langmuir等温模型和准二级动力学模型能够较好地拟合吸附结果。4. 通过尿素/Zn Cl₂原位一步水热法在240℃,6.5 MPa压强条件下水热反应6 h成功制备了茶树枝氮掺杂碳量子点,利用TEM、拉曼光谱和XPS等技术对氮掺杂碳量子点的结构进行表征,并利用紫外和荧光分光光度计对碳量子点荧光性能和对重金属离子Cu²⁺、Fe³⁺、Cr⁶⁺、Zn²⁺的荧光检测进行研究。研究结果表明:氮掺杂碳量子点粒径均匀,分散性较好,表面富含含氧含氮官能团。氮掺杂碳量子点的紫外吸收光谱在310nm处有一个较宽的肩峰,荧光发射光谱具有激发光波长依赖性,最大激发波长和最佳发射波长分别为310 nm和400 nm。碳量子点溶液在p H值为5.0-9.0范围内的荧光稳定性较好。金属离子Cu²⁺、Fe³⁺和Cr⁶⁺对碳量子点有荧光淬灭的效果,而Zn²⁺对碳量子点的荧光有增强的效果。