Carbon Dots: An Emerging Frontier for Green and Sustainable Civil Engineering Materials

Abstract

Traditional civil engineering materials (CE materials) are usually involved with high-energy consumption during manufacturing, significant maintenance costs, and substantial environmental impacts throughout their life cycles. The progress of nanotechnology is catalyzing a green and sustainable transformation within the field. Among various nanomaterials, carbon dots (CDs) have recently emerged as a promising eco-friendly candidate due to their unique physical and chemical properties. They offer innovative strategies to enhance durability, introduce multifunctionality, and reduce the ecological footprints of infrastructure materials, including steel, concrete, and wood. This review summarizes recent advancements in CDs-based CE materials with an emphasis on their green and sustainable attributes. We critically elucidate the mechanisms behind their improved performance in terms of durability and multifunctionality and discuss the current challenges and future directions for their successful integration into large-scale sustainable construction practices.

Keywords

carbon dot / civil engineering materials / durability / green and sustainable / multifunctionality

References

[1] F. Maroldi, presented at EDULEARN16 Proc, Barcelona, Spain, July 2016.

[2] R. Supriya, U. Chaudhury, P. C. Sharma, L. P. Thapliyal, J. Singh, Clean. Prod. 2023, 417, 137466.

[3] R. Aslam, M. Mobin, S. Zehra, J. Aslam, J. Mol. Liq. 2022, 364, 119992.

[4] S. M. Harle, Asian J. Civ. Eng. 2024, 25, 1061.

[5] J. Zhang, L. Liu, H. Yang, Intell. Transp. Infrastruct. 2023, 2, liad019.

[6] E. Inshakova, A. Inshakova, A. Goncharov, IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng 2020, 971, 032031.

[7] J. Silvestre, N. Silvestre, J. de Brito, Eur. J. Environ. Civ. Eng. 2016, 20, 455.

[8] X. Qiang, D. Zhang, Y. Wu, X. Jiang, Appl. Sci. 2024, 14, 8800.

[9] A. Al-Tabbaa, C. Litina, P. Giannaros, A. Kanellopoulos, L. Souza, Constr. Build. Mater. 2019, 208, 669.

[10] W. Du, J. Yu, S. Gu, R. Wang, J. Li, X. Han, Q. Liu, Constr. Build. Mater. 2020, 247, 118575.

[11] I. N. R. Prudente, H. C. dos Santos, J. L. Fonseca, Y. A. de Almeida, I. de F. Gimenez, L. S. Barreto, J. Build. Eng. 2024, 95, 110175.

[12] S. Khannyra, M. J. Mosquera, M. Addou, M. L. A. Gil, Constr. Build. Mater. 2021, 313, 125419.

[13] K. P. Bapat, presented at Proc. ARCC-EAAE 2022 Int. Conf. Resilient City Phys. Soc. Econ. Perspect, Miami, FL, USA, March 2022.

[14] R. K. Rao, S. Sasmal, Sens. Actuators A Phys. 2020, 311, 112088.

[15] Y. Wang, L. Zhang, Sens. Actuators A Phys. 2022, 336, 113367.

[16] G. B. de Abreu, S. M. M. Costa, A. G. Gumieri, J. M. F. Calixto, F. C. França, C. Silva, A. D. Quinõnes, Matér. Rio Jan. 2017, 22, e11824.

[17] C. Liu, X. Su, Y. Wu, Z. Zheng, B. Yang, Y. Luo, J. Yang, J. Yang, Nanotechnol. Rev. 2021, 10, 1395.

[18] G. B. Goffredo, S. Accoroni, C. Totti, T. Romagnoli, L. Valentini, P. Munafò, Build. Environ. 2017, 112, 209.

[19] M. Le Pivert, R. Poupart, M. Capochichi-Gnambodoe, N. Martin, Y. Leprince-Wang, Microsyst. Nanoeng. 2019,

[20] Z. Shirazi, A. N. Golikand, M. H. Keshavarz, Compos. Commun. 2020, 22, 100467.

[21] G. M. Kim, B. J. Yang, G. U. Ryu, H. K. Lee, Compos. Struct. 2016, 158, 20.

[22] H. Cen, J. Cao, Z. Chen, Corros. Sci. 2020, 177, 109011.

[23] X. Xu, R. Ray, Y. Gu, H. J. Ploehn, L. Gearheart, K. Raker, W. A. Scrivens, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 12736.

[24] R. Vithalani, D. Patel, C. K. Modi, D. H. Suthar, J. Mater. Sci. 2020, 55, 8769.

[25] B. N. Kumara, P. Kalimuthu, K. S. Prasad, Anal. Chim. Acta 2023, 1268, 341430.

[26] L. Zhu, Y. Yin, C.-F. Wang, S. Chen, J. Mater. Chem. C 2013, 1, 4925.

[27] H. Kang, J. Zheng, X. Liu, Y. Yang, New Carbon Mater. 2021, 36, 649.

[28] M. Hussein Abdurahman, A. Zuhairi Abdullah, W. Da Oh, N. Fazliani Shopware, M. Faisal Gasim, P. Okoye, A. Ul-Hamid, A. Rahman Mohamed, J. Colloid Interface Sci. 2023, 629, 189.

[29] A. Mewada, S. Pandey, S. Shinde, N. Mishra, G. Oza, M. Thakur, M. Sharon, M. Sharon, Mater. Sci. Eng. C 2013, 33, 2914.

[30] X. Zheng, D. Shao, J. Li, Y. Song, Y. Chen, Y. Pan, S. Zhu, B. Yang, L. Chen, RSC Adv. 2015, 5, 91398.

[31] V. D. Dang, T. Annadurai, A. P. Khedulkar, J.-Y. Lin, J. Adorna, W.-J. Yu, B. Pandit, T. V. Huynh, R.-A. Doong, Appl. Catal. B Environ. 2023, 320, 121928.

[32] N. Kim, J. Lee, M. Gu, B.-S. Kim, Carbon Energy 2021, 3, 590.

[33] P. Zhu, S. Wang, Y. Zhang, Y. Li, Y. Liu, W. Li, Y. Wang, X. Yan, D. Luo, ACS Appl. Bio Mater. 2022, 5, 2031.

[34] D. Ghosh, K. Sarkar, P. Devi, K.-H. Kim, P. Kumar, Renew. Sust. Energ. Rev. 2021, 135, 110391.

[35] N.-A. Tran, N. T. Hien, N. M. Hoang, H.-L. T. Dang, D. Q. Huy, T. Van Quy, N. T. Hanh, N. H. Vu, V.-D. Dao, Desalination 2023, 548, 116285.

[36] C. Zhu, Y. Fu, C. Liu, Y. Liu, L. Hu, J. Liu, I. Bello, H. Li, N. Liu, S. Guo, H. Huang, Y. Lifshitz, S.-T. Lee, Z. Kang, Adv. Mater. 2017, 29, 1701399.

[37] M. Bortolami, A. Curulli, P. Di Matteo, R. Petrucci, M. Feroci, Sensors 2024, 24, 3945.

[38] J. Jumardin, A. Maddu, K. Santoso, I. Isnaeni, Jurnal Ilmu Fisika | Universitas Andalas 2023, 15, 91.

[39] Q. Zhang, X. Sun, H. Ruan, K. Yin, H. Li, Sci. China-Mater. 2017, 60, 141.

[40] Y. Hu, J. Li, W. Huang, Phys. Status Solidi A 2022, 219, 2200519.

[41] Y. Ren, Z. Fan, Food Chem. 2023, 416, 135792.

[42] A. Gholipour, S. Rahmani, J. Fluoresc. 2024, 34, 2665.

[43] R. Kumar, A. Vincy, K. Rani, N. Jain, S. Singh, A. Agarwal, R. Vankayala, ACS Omega 2023, 8, 36521.

[44] Z. Zhang, W. Sun, P. Wu, ACS Sustain. Chem. Eng. 2015, 3, 1412.

[45] S. Zhu, Q. Meng, L. Wang, J. Zhang, Y. Song, H. Jin, K. Zhang, H. Sun, H. Wang, B. Yang, Angew. Chem. 2013, 125, 4045.

[46] X. Yang, L. Sui, B. Wang, Y. Zhang, Z. Tang, B. Yang, S. Lu, Sci. China Chem. 2021, 64, 1547.

[47] L. Wang, B. Wang, S. Lu, S. Lv, X. Qu, Chin. Chem. Lett. 2025, 36, 110497.

[48] C. Michenzi, C. Espro, V. Bressi, C. Celesti, F. Vetica, C. Salvitti, I. Chiarotto, Mol. Catal. 2023, 544, 113182.

[49] E. S. Seven, E. Kirbas Cilingir, M. Bartoli, Y. Zhou, R. Sampson, W. Shi, Z. Peng, R. Ram Pandey, C. C. Chusuei, A. Tagliaferro, S. Vanni, R. M. Graham, Y. B. Seven, R. M. Leblanc, J. Colloid Interface Sci. 2023, 630, 306.

[50] L. Ðorđević, F. Arcudi, M. Cacioppo, M. Prato, Nat. Nanotechnol. 2022, 17, 112.

[51] C. Xia, S. Zhu, T. Feng, M. Yang, B. Yang, Adv. Sci. 2019, 6, 1901316.

[52] S. Tao, T. Feng, C. Zheng, S. Zhu, B. Yang, J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 5182.

[53] P. He, Y. Shi, T. Meng, T. Yuan, Y. Li, X. Li, Y. Zhang, L. Fan, S. Yang, Nanoscale 2020, 12, 4826.

[54] M. Li, T. Chen, J. J. Gooding, J. Liu, ACS Sens. 2019, 4, 1732.

[55] C. Zhu, C. Liu, Y. Fu, J. Gao, H. Huang, Y. Liu, Z. Kang, Appl. Catal. B Environ. 2019, 242, 178.

[56] W. Shi, F. Guo, M. Li, Y. Shi, Y. Tang, Sep. Purif. Technol. 2019, 212, 142.

[57] Y. Wang, R. Godin, J. R. Durrant, J. Tang, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20811.

[58] Q. Li, S. Wang, Z. Sun, Q. Tang, Y. Liu, L. Wang, H. Wang, Z. Wu, Nano Res. 2019, 12, 2749.

[59] S. Cailotto, M. Negrato, S. Daniele, R. Luque, M. Selva, E. Amadio, A. Perosa, Green Chem. 2020, 22, 1145.

[60] X. Li, G. Zhang, N. Li, Q. Xu, H. Li, J. Lu, D. Chen, Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2316773.

[61] R. B. González-González, A. Sharma, R. Parra-Saldívar, R. A. Ramirez-Mendoza, M. Bilal, H. M. N. Iqbal, J. Hazard. Mater. 2022, 423, 127145.

[62] S. Sui, F. Zhao, T. Zhang, Z. Chen, H. Yin, Nanoscale 2024, 16, 18933.

[63] J. Wang, J. Zheng, Y. Yang, X. Liu, J. Qiu, Y. Tian, Carbon 2022, 190, 22.

[64] N. Shauloff, R. Bisht, Y. Turkulets, R. Manikandan, A. Morag, A. Lehrer, J. H. Baraban, I. Shalish, R. Jelinek, Small 2023, 19, 2206519.

[65] H. Hao, L. Yan, M. Wang, Y. Cao, J. He, Y. Yang, Adv. Electron. Mater. 2023, 9, 2201195.

[66] S. Anwar, H. Ding, M. Xu, X. Hu, Z. Li, J. Wang, L. Liu, L. Jiang, D. Wang, C. Dong, M. Yan, Q. Wang, H. Bi, ACS Appl. Bio Mater. 2019, 2, 2317.

[67] A. Maholiya, P. Ranjan, R. Khan, S. Murali, R. C. Nainwal, P. S. Chauhan, N. Sathish, J. P. Chaurasia, A. K. Srivastava, Environ. Sci. Nano 2023, 10, 959.

[68] Y. Liu, H. Yang, C. Ma, S. Luo, M. Xu, Z. Wu, W. Li, S. Liu, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 36628.

[69] T. T. Win, L. Prasittisopin, R. Nganglumpoon, P. Pinthong, S. Watmanee, W. Tolek, J. Panpranot, Constr. Build. Mater. 2024, 421, 135693.

[70] T. Wu, R. Huang, M. Chi, T. Weng, Comput. Concr. 2013, 12, 337.

[71] R. O. Ajirotutu, A. B. Adeyemi, G.-O. Ifechukwu, O. Iwuanyanwu, T. C. Ohakawa, B. M. P. Garba, Magna Sci. Adv. Res. Rev. 2024, 12, 235.

[72] B. A. Manu, Int. J. Res. Publ. Rev. 2024, 5, 4987.

[73] S. B. Singh, P. Munjal, N. Thammishetti, J. Build. Eng. 2015, 4, 94.

[74] E. R. Latifee, D. Sen, R. Kabir, Am. J. Eng. Res. 2016, 5, 120.

[75] M. Zhang, H. Li, Constr. Build. Mater. 2011, 25, 608.

[76] V. S. S. B. Ramesh, J. R. Xavier, J. Adhes. Sci. Technol. 2024, 38, 3737.

[77] J. Hilding, E. A. Grulke, Z. George Zhang, F. Lockwood, J. Dispers. Sci. Technol. 2003,

[78] X. Wang, J. Zhong, Carbon 2025, 231, 119710.

[79] H. Qu, S. Qian, X. Liu, R. Gao, Z. Wang, C. Zheng, Z. Zhang, J. Build. Eng. 2022, 52, 104523.

[80] A. Raj, P. Yamkasikorn, R. Wangtawesap, T. T. Win, C. Ngamkhanong, P. Jongvivatsakul, L. Prasittisopin, J. Panpranot, S. Kaewunruen, Constr. Build. Mater. 2024, 441, 137597.

[81] M. K. Kumawat, M. Thakur, R. B. Gurung, R. Srivastava, Sci. Rep. 2017, 7, 15858.

[82] H. He, E. Shuang, D. Lu, Y. Hu, C. Yan, H. Shan, C. He, Constr. Build. Mater. 2024, 425, 136030.

[83] W.-J. Long, A.-N. Zhong, S.-Y. Zheng, C. He, Carbon 2024, 221, 118933.

[84] Jayachandra, Y. R. Reddy, A. H. Nassar, M. Z. Kangda, H. J. Yashwanth, M. A. Khan, A. N. M. Asiri, S. Islam, S. Algburi, Case Stud. Constr. Mater. 2024, 20, e03042.

[85] P. Zhao, J. Deng, Y. Jiang, H. An, L. Jia, Research Square 2024,

[86] M. Zhang, L. Ma, L. Wang, Y. Sun, Y. Liu, ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 2259.

[87] H. R. Ghorbani, V. Alizadeh, F. P. Mehr, H. Jafarpourgolroudbary, K. Erfan, S. S. Yeganeh, Prog. Org. Coat. 2018, 123, 322.

[88] Y. Wang, J. Hu, Y. Ma, Z. Zhang, H. Huang, J. Wei, S. Yin, Q. Yu, Constr. Build. Mater. 2022, 317, 125946.

[89] E. Rakanta, T. Zafeiropoulou, G. Batis, Constr. Build. Mater. 2013, 44, 507.

[90] P. Pedeferri, Constr. Build. Mater. 1996, 10, 391.

[91] K. Wilson, M. Jawed, V. Ngala, Constr. Build. Mater. 2013, 39, 19.

[92] R. Kanno, Struct. Eng. Int. 2016, 26, 242.

[93] C. Fang, W. Wang, C. Qiu, S. Hu, G. A. MacRae, M. R. Eatherton, J. Constr. Steel Res. 2022, 191, 107172.

[94] P. Albrecht, T. T. Hall, J. Mater. Civ. Eng. 2003, 15, 2.

[95] Y. Li, B. Huang, Structure 2022, 38, 492.

[96] K. M. Usher, A. H. Kaksonen, D. Bouquet, K. Y. Cheng, Y. Geste, P. G. Chapman, C. D. Johnston, Corros. Sci. 2015, 98, 354.

[97] C. Zhu, H. Li, H. Wang, B. Yao, H. Huang, Y. Liu, Z. Kang, Small 2019, 15, 1900007.

[98] U. M. Angst, Mater. Struct. 2018, 51, 4.

[99] H. He, S. E, T. Wen, J. Yao, X. Wang, C. He, Y. Yu, Constr. Build. Mater. 2023, 401, 132944.

[100] H. Shan, S. E, R. Zhao, Y. Miao, Z. Wang, H. He, C. He, Constr. Build. Mater. 2024, 425, 136103.

[101] C. He, P. Xu, X. Zhang, W. Long, Carbon 2022, 186, 91.

[102] W.-J. Long, Y. Yu, C. He, Chin. Chem. Lett. 2024, 35, 108943.

[103] C. He, T. Sun, X. Wang, H. He, S. E, Cem. Concr. Compos. 2024, 152, 105669.

[104] W.-J. Long, A.-N. Zhong, S.-Y. Zheng, H.-R. Guo, C. He, Constr. Build. Mater. 2024, 442, 137523.

[105] Y. Han, Y. Wang, B. Zhao, Y. Bai, S. Han, Y. Zhang, S. Li, Z. Chen, C. Si, H. Yu, C. Zhang, W. Yu, Adv. Compos. Hybrid Mater. 2023, 6, 39.

[106] R. C. Valore Jr., ACI J. Proc. 1954, 50, 773.

[107] Z. Zhang, J. L. Provis, A. Reid, H. Wang, Cem. Concr. Compos. 2015, 62, 97.

[108] A. Raj, D. Sathyan, K. M. Mini, Constr. Build. Mater. 2019, 221, 787.

[109] N. Song, Z. Li, S. Wang, G. Li, Constr. Build. Mater. 2023, 364, 129853.

[110] P. Dey, A. Paul, M. Dhar, D. Das, R. Saha, Environ. Dev. Sustain. 2025,

[111] A. C. A. Rego, F. A. Cardoso, R. G. Pileggi, Cerâmica 2021, 67, 65.

[112] G. Barluenga, F. Hernández-Olivares, Constr. Build. Mater. 2010, 24, 1601.

[113] M. L. Rahman, A. Malakooti, H. Ceylan, S. Kim, P. C. Taylor, Constr. Build. Mater. 2022, 329, 127139.

[114] J. Cao, D. D. L. Chung, Cem. Concr. Res. 2001, 31, 309.

[115] L. Suarez-Gutierrez, W. A. Müller, C. Li, J. Marotzke, Clim. Dyn. 2020, 55, 429.

[116] E. H. Suzuki, F. C. Lofrano, F. A. Kurokawa, R. T. A. Prado, B. C. C. Leite, Energ. Buildings 2022, 266, 112110.

[117] H. M. R. Gonçalves, R. F. P. Pereira, E. Lepleux, T. Carlier, L. Pacheco, S. Pereira, A. J. M. Valente, E. Fortunato, A. J. Duarte, V. de Zea Bermuz, Adv. Sustain. Syst. 2019, 3, 1900047.

[118] Y. Gao, S. Liang, S. Zhao, W. Gao, Z. Li, M. Wang, H. Li, X. He, R. Cong, H. Diao, C. Su, X. Xie, Nanoscale Adv. 2022, 4, 4169.

[119] Y. Liu, H. Yang, Y. Wang, C. Ma, S. Luo, Z. Wu, Z. Zhang, W. Li, S. Liu, Chem. Eng. J. 2021, 424, 130426.

[120] P. Kumar Mehta, Richard W. Burrows, Concr. Int. 2001, 23, 57.

[121] T. Renner, P. Otto, A. C. Kübler, S. Hölscher-Doht, U. Gbureck, J. Mater. Sci. Mater. Med. 2023, 34, 14.

[122] R. K. de_Richter, T. Ming, S. Caillol, Renew. Sust. Energ. Rev. 2013, 19, 82.

[123] D. Zhang, Y. Li, Y. Li, S. Zhan, SmartMat 2022, 3, 417.

[124] X. Bai, S. Yang, C. Tan, T. Jia, L. Guo, W. Song, M. Jian, X. Zhang, Z. Zhang, L. Wu, H. Yang, H. Li, D. Hao, J. Clean. Prod. 2022, 380, 134975.

[125] C. Cárdenas, J. I. Tobón, C. García, J. Vila, Constr. Build. Mater. 2012, 36, 820.

[126] M. C. Uribe-López, M. C. Hidalgo-López, R. López-González, D. M. Frías-Márquez, G. Núñez-Nogueira, D. Hernández-Castillo, M. A. Alvarez-Lemus, J. Photochem. Photobiol. Chem. 2021, 404, 112866.

[127] Z.-X. Huang, Z.-Y. Wang, Y.-J. Yuan, Y. Chen, J.-H. Wang, Y.-H. Hu, J.-P. Tang, Z.-K. Shen, Z.-T. Yu, Z. Zou, Nano Lett. 2024, 24, 11968.

[128] Y. Xu, W. Hou, K. Huang, H. Guo, Z. Wang, C. Lian, J. Zhang, D. Wu, Z. Lei, Z. Liu, L. Wang, Adv. Sci. 2024, 11, 2403607.

[129] H. Li, R. Liu, Y. Liu, H. Huang, H. Yu, H. Ming, S. Lian, S.-T. Lee, Z. Kang, J. Mater. Chem. 2012, 22, 17470.

[130] L. Ai, R. Shi, J. Yang, K. Zhang, T. Zhang, S. Lu, Small 2021, 17, 2007523.

[131] M. Sbacchi, M. Mamone, L. Morbiato, P. Gobbo, G. Filippini, M. Prato, ChemCatChem 2023, 15, e202300667.

[132] R. Atchudan, T. N. J. I. Edison, S. Mani, S. Perumal, R. Vinodh, S. Thirunavukkarasu, Y. R. Lee, Dalton Trans. 2020, 49, 17725.

[133] J. Zhao, Y. Li, P. Na, Chin. J. Chem. 2021, 39, 1310.

[134] W. Liu, Y. Li, F. Liu, W. Jiang, D. Zhang, J. Liang, Water Res. 2019, 151, 8.

[135] F. Guo, X. Huang, Z. Chen, H. Sun, W. Shi, Sep. Purif. Technol. 2020, 253, 117518.

[136] X. Wei, Y. Wang, Y. Huang, C. Fan, J. Alloys Compd. 2019, 802, 467.

Rights & permissions

2026 The Author(s). Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.