흑연질화탄소 나노 기반 입자의 구조 및 특성(광촉매), 제조 기술 및 그 응용에 대한 미니 리뷰

검토

흑연질화탄소 및 광촉매

광촉매는 촉매의 활성화를 통해 발생하는 화학 전환(산화 및 환원)의 가속화를 가장 잘 나타냅니다. 이 반응은 광흡수를 통해 단독으로 또는 금속/유기/유기금속 촉진제와 함께 반도체를 포함하며, 이는 오염물질의 광촉매 변환으로 이어질 수 있는 흡착될 전하 또는 에너지 전달에 따릅니다. 광촉매 메커니즘 동안 반응성 산화 종의 성공적인 생산을 돕는 적어도 두 가지 주요 작용이 동시에 발생합니다(그림 2). 이러한 반응은 해리적으로 흡착된 H₂의 산화입니다. O는 대부분 광 생성된 정공에 의해 생성되고 광여기된 전자에 의해 생성되는 전자 수용체의 환원에 의해 생성됩니다(그림 2). 따라서 이러한 반응은 각각 하이드록실 및 슈퍼옥사이드 라디칼 음이온을 생성합니다[11]. 광촉매 반응 동안, 반응에서 촉매로서 빛의 작용 대신에 촉매 활성 종의 광자 보조 생성이 있음이 명백하다[12,13,14,15, 16]. 상당히, 화학적 변형을 시작하기 위해 촉매(광촉매)에 의해 대부분 햇빛으로부터 가시광선을 얻는 것을 광촉매라고 설명합니다(그림 1). C₃ 적용 N₄ 폐수 처리, 태양 에너지 활용, 환경 처리, 생물 의학 및 감지 응용 분야를 위한 광촉매는 많은 과학 분야에서 논의되었습니다.

물 분해의 광촉매 활동의 기본 메커니즘의 개략도. 허가를 받아 복제함 [113, 114]. Copyright 2015 &2018. 왕립화학학회

TiO₂와 같은 반도체 촉매의 계몽 , ZnO, ZrO₂ , CEO₂ , 밴드 갭과 같거나 초과하는 에너지를 운반하는 광자와 함께 광 유도 전자 전달 및 빛의 흡수와 유사한 전자 정공 쌍을 생성하면 하나의 전자가 전도대로 촉진됩니다. 산화물은 전자(그림 2)를 흡착된 전자 수용체로 전달할 수 있고(따라서 환원 촉진), 정공(또는 전자 공석)은 흡착된 공여체로부터 전자를 받아들일 수 있습니다(산화 촉진). g-C₃ N₄ 수소/산소 발생 및 CO₂를 촉매할 수 있습니다. 밴드 갭 여기 및 적절한 보조 촉매 및/또는 희생제의 존재하에서 감소.

g-C3N4와 S-도핑된 g-C3N4 사이에 형성된 유기 이종접합의 개략도. 참조에서 재생산. [115]. Copyright 2015. 엘스비어

흑연질화탄소 나노 기반 입자

뚜렷한 전자적, 화학적, 광학적 특성을 가진 1D 나노구조를 가진 물질은 크기와 형태가 조정될 수 있습니다. 1D 나노구조 재료의 이러한 능력은 광촉매 활성을 향상시키기 위한 다양한 접근 방식의 새로운 발전으로 이어졌습니다[17]. 또한, 이러한 1D 나노구조에 의한 전자의 축 방향 및 측면 구속의 전자 이동 안내가 있습니다. 그래핀에서 금속 산화물 및 금속 칼코게나이드 나노시트로 2D 재료가 발전한 다음 2D 공유 유기 프레임워크(g-C3N4)로 발전했습니다.

전구체 및 축합 방법의 적절한 선택 수단은 두 가지 주요 유형의 g-C₃로 이어졌습니다. N₄ 구조적 다형체 및 여기에는 먼저 g-C₃가 포함됩니다. N₄ 축합된 s-트리아진 단위(C₃의 고리)로 구성 N₃ ) 단일 탄소 공석이 주기적으로 배열됩니다. 두 번째 유형의 g-C₃ N₄ 축합된 tri-s-triazine(C₆의 tri-ring)으로 구성 N₇ ) 평면 3차 아미노기를 통해 결합된 소단위체이며, 이는 격자에서 주기적인 공석이 더 큽니다. g-C₃ N₄ 네트워크는 주로 멜론 기반 세그먼트(두 번째 유형 구조, 이것은 tri-s-triazine 단위로 구성, 그림 3a)로 구성되며, 이는 멜라민 기반 배열(첫 번째 유형 구조, 이 구성 s-triazine, 그림 3b) 기능 이론(DFT) 계산 [18]에 의해 설명됨. 따라서 tri-s-triazine 핵이 g-C₃ 형성을 위한 기본 빌딩 블록이라고 널리 믿어집니다. N₄ 네트워크.

아 Tri-s-triazine 및 b g-C₃의 단위 구조로서의 tri-s-triazine N₄ . 허가를 받아 재생산 [25, 31]. Copyright 2008 왕립화학학회

흑연질화탄소 나노 기반 입자의 구조

g-C₃ N₄ 전체가 공유 결합된 sp₂로 구성된 2차원(2D) 고분자 재료 부류입니다. - 하이브리드 탄소 및 질소 원자. 탄소와 질소는 결합을 형성하는 다양한 원자가 상태의 구별이 있습니다. 따라서 g-C₃에서 N₄ , 다양한 원자가 결합 구조가 있습니다. 연구 작업으로 인해 일부 C₃ N₄ 결함 구조 및 g-C₃의 비정질 구조 N₄ 여전히 준안정 구조이지만 N vacancy의 상승과 함께 이러한 두 종류의 g-C₃ 구성 N₄ 재료는 일반적으로 벌크 모듈러스가 감소합니다. g-C₃의 구조적 특성, 재료의 조성 및 결정도 N₄ XRD, XPS 및 Raman 기술로 특성화하고 평가할 수 있습니다. 1830년 Berzelius는 일반 공식(C₃ N₃ H) n과 Liebig은 또한 "멜론"이라는 표기법을 고안했으며 이러한 예측은 탄소 질화물 올리고머 및 중합체에 초점을 맞춘 더 많은 연구로 이어졌습니다[19, 20]. 또한, 이러한 결정 구조가 발견되고 실험에서 언급되었습니다[21,22,23]. α-C₃ N₄ 이전에 Yu와 동료들이 발견했습니다[24]. 흑연 C₃의 흑연과 같은 하중을 받는 2D 구조 N₄ 주로 p-공액 흑연 평면을 포함하는 질소 헤테로원자 치환 흑연 골격으로 관찰되며 sp ² 탄소와 질소 원자의 혼성화. 결정질 흑연은 g-C₃보다 밀도가 3% 낮습니다. N₄ . 전자의 위치를 ​​이동시킨 다음 질소 헤테로원자 치환으로 인해 층 사이의 결합을 통합하면 g-C₃의 층간 거리를 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다. N₄ [25].

g-C의 전자 구조 및 속성₃ N₄

현재 g-C3N4는 TiO₂와 같은 기존 광촉매의 광촉매 활성을 회복하는 차세대 광촉매로 간주됩니다. , ZnO 및 WO3. g-C3N4는 흑연과 유사한 구조를 갖는 것으로 가정된다[26,27,28,29,30]. 열중축합법은 일반적으로 g-C3N4를 제조하는 데 사용되며, 따라서 g-C3N4의 전자 구조를 조사합니다.

α-C₃ N₄ 이전에 Yu와 동료들이 발견했습니다[24]. 이 과학자들은 양자역학 클러스터 모델의 계산 절차를 사용하여 α-C₃를 개발했습니다. N₄ g-C₃의 전자 구조를 최적화하여 N₄ 광촉매 및 기타. alpha-C₃의 구조에서 N₄ , sp ³ 으로 연결된 C 및 N 원자 핵심은 g-C3N4의 사면체 구조를 설계하는 데 사용되었습니다. Liu와 Cohen은 beta-C₃의 존재를 예상했습니다. N₄ 밴드 개념의 제1원칙과 준비된 베타-C₃를 통해 N₄ β 기반 -시₃ N₄ 전자 구조. Liu와 Cohen은 β의 구조를 밝혀냈습니다. -C₃ N₄ 각 단위 셀에 대해 14개의 원자를 포함하는 육각형이었습니다.

1989년 Liu와 Cohen이 예상한 뛰어난 예측은 b-다형체 C₃ N₄ 다이아몬드와 비교할 때 매우 높은 경도 값을 가질 수 있으며 현재까지 과학적 연구에 열광했습니다[26]. 1993년, C₃ N₄ 순수 질소 분위기 및 C₃ 구조 고려 하에서 Si(100) 및 다결정 Zr 기판 상의 흑연 타겟의 마그네트론 흡입을 통한 박막 N₄ 분석 전자 현미경과 라만 분광법을 사용하여 Chen과 공동 저자에 의해 합성되었습니다[27, 31]. 과학자인 Teter와 Hemley[28]는 알파-C₃ N₄ , 베타-C₃ N₄ , 입방-C₃ N₄ , 유사 입방-C₃ N₄ 및 흑연 C₃ N₄ 탄소 질화물 다형체의 상대 안정성, 구조 및 물리적 특성에 대한 첫 번째 원칙 계산에 따라 이미 설명된 대로 3년 후에 수행한 실험에서 다이아몬드에 근접하는 확연한 경도를 보여줍니다.

Wang과 동료[26, 32]는 향상된 가시광 반응성 광촉매를 위한 열중축합 및 염용융 합성 방법에 의해 제조된 g-C3N4의 정확한 구조를 계산하기 위해 초기 진화 알고리즘 구조 검색을 적용했습니다. 가장 안정적인 구조 1-3은 헵타진 기반 g-C3N4에 대해 예측되었습니다. 상 안정성의 순서는 1> 2> 3이었습니다. 다른 계층 구조와 달리 heptazine 기반 g-C3N4(그림 3 참조)에서 왜곡된 상이 가장 안정적이었습니다. 이 구조는 약속의 향상된 광촉매 활성에 기여합니다. g-C3N4에서 질소의 고립전자쌍은 띠 구조와 가전자대의 발달에 대부분 책임이 있습니다.

흑연질화탄소 나노 기반 입자의 제조

합성

흑연질화탄소의 ​​흥미로운 마찰 및 전자적 특성으로 인해 흑연질화탄소 층을 제어된 방식으로 증착하는 방법을 개발할 수 있습니다. 따라서, 그래핀 질화물을 얻을 수 있다. 상당히, 비교를 위한 벤치마크 입자는 부피가 큰 g-C3N4입니다. 이 입자는 cyanamide, dicyandiamide, melamine, thiourea, urea 또는 다양한 준비 방법(표 1, 2, 3)을 통한 혼합물과 같이 직접 C-C 결합 없이 질소가 풍부한 전구체를 선택하여 가장 잘 얻을 수 있습니다. 순간적인 열응축 [33]. 질화탄소 재료는 주로 표면적이 10m ² 미만인 작은 표면적을 가진 대량 자원입니다. g ⁻¹ 질소 함유 유기 전구체의 직접 축합에 의해 제조되거나 합성되는 경우 [34].

메조포러스 구조는 광물화되고 비표면적이 증폭될 때 물리화학적 특성을 미세 조정하는 데 도움이 되며 흑연 탄소 질화물의 광촉매 성능을 증가시킵니다(g-C₃ N₄ ). 메조포러스 실리카 매트릭스의 나노 캐스팅/복제 흑연 탄소 질화물(g-C₃ N₄ ), 이들은 상응하는 탄소 나노구조의 코호트로 유명했다[35]. 그런 다음 g-C₃에 대한 보다 혁신적인 계획을 도출하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. N₄ 하드 템플릿 방식에 열광한 수정(표 1). 그런 다음 Liu와 Cohen은 (표 1) 소프트 템플릿 기술[26]을 발견했고 다른 g-C₃ N₄ 산성 용액 함침, 초음파 분산 방법 및 화학적 기능화 [26]와 같은 수정 방식도 발견되었습니다. 위에서 설명한 이러한 방법은 g-C₃의 표면 화학적 특성과 질감을 수정하는 원리의 좋은 신호였습니다. N₄ , 그것의 전자적 잠재력과 함께.

물리적 기상 증착(PVD)[36], 화학적 기상 증착(CVD)[37], 용매열법[38], 고체상 반응[38]과 같은 열처리는 풍부한 질소와 산소를 중합하는 데 사용됩니다. -미리 결합된 C–N 코어 구조(트리아진 및 헵타진 유도체)를 포함하는 자유 화합물 전구체, 이는 흑연 탄소 질화물(gC₃)의 기본 기술로 사용됩니다. N₄ ) 합성. 흑연 탄소 질화물의 제조를 위해 일반적으로 사용되는 전구체(g-C₃ N₄ ) 중합을 통해 시안아미드[39], 디시안디아미드[40], 멜라민[41], 우레아[42], 티오우레아[43], 구아니디늄 클로라이드[44] 및 구아니딘 티오시아네이트[45]를 포함합니다. 완성된 요소를 직접 사용하는 것은 많은 영역에서 실제로 어려운 일입니다. 이것은 벌크 g-C₃의 약한 분산과 일반적인 특성 때문입니다. N₄ . 다양한 종류의 g-C₃를 준비하기 위한 충분한 마이크로/나노구조 및 형태의 사용 N₄ 광촉매 연구의 지난 몇 년 동안 과학자에 의해 집중적으로 연구되었습니다. 예를 들어, 초박형 g-C₃ N₄ 벌크 g-C₃를 박리하여 제조한 나노시트 N₄ 물질 [46,47,48]은 음전하를 띠며 물에 잘 분산될 수 있었습니다.

열산화 박리, 초음파 박리, 화학적 박리는 g-C₃ 제조에 사용되는 주요 박리 방법으로 잘 알려져 있습니다. N₄ 재료. 메조-g-C₃ N₄ 재료는 더 큰 비표면적(최대 830m ² )으로 인해 뛰어난 광촉매 활성과 같은 뛰어난 성능을 보입니다. g ⁻¹ ) 및 더 큰 다공성(최대 1.25cm ³ ) g ⁻¹ ); 또한, 표면에 존재하는 더 많은 수의 활성 부위와 더 높은 크기 또는 형태 선택성은 우수한 성능을 향상시킨다. meso-g-C₃ 준비를 위한 가장 필수적인 경로 N₄ 소프트 템플릿(자체 조립)[49, 50]과 하드 템플릿(나노-캐스팅)[51] 방법이 포함됩니다(표 1 및 그림 4). 일반적으로 g-C₃로 알려진 더 작은 크기 N₄ 양자점(QD)은 g-C₃ 합성을 위한 연구에서 많은 훌륭한 연구 과학자들이 사용했습니다. N₄ [52,53,54,55]. 2D g-C₃ 합성을 위한 두 가지 주요 접근 방식 N₄ 나노시트는 층상 g-C₃의 박리입니다. N₄ 대부분 하향식 전략(그림 5)으로 알려진 독립형 나노시트로 고체를 만들고 상향식 전략이라고도 하는 2D 방식의 유기 분자의 이방성 조립(그림 6). 놀랍게도 CN 나노시트의 다양한 화학 구조 및 전자 밴드 구조에 대해 제조된 CN 나노시트는 수많은 금속 이온에 대해 독특한 전기화학발광(ECL) 방출 반응을 나타냈다. 이로 인해 수많은 금속 이온을 빠르게 감지하는 ECL 센서 개발에 성공했습니다.

TCN의 TEM 이미지(a 그리고 b ) 및 MCN(c 그리고 d ) 하드 템플릿 접근 방식을 사용합니다. [120]의 허가를 받아 재생산. Copyright 2015. 엘스비어

하향식 및 상향식 전략을 사용하여 CNN을 합성하는 개략도(Royal Society of Chemistry의 허가를 받아 ref. [121]에서 재생성)

가시광선 조사 시간(광촉매 로딩, 0.5g/L, 초기 RhB 농도, 약 10mg/L, pH 조절 없음)의 함수로서 다양한 광촉매에 의한 RhB 감소에 의한 제조 및 향상된 가시광선 광촉매의 개략도. 사용된 광촉매는 순수 g-C3N4 및 a 시리즈 g-C3N4/BiOCl 잡종, b BC3에 대한 RhB의 주기적 분해, c 광촉매 공정 전후 BC3 광촉매의 XRD 패턴 및 d TOC 대 분해 시간의 플롯. (Springer-Verlag GmbH Germany 2017의 허가를 받아 ref. [122]에서 재생산)

흑연질화탄소 나노 기반 입자 제조에 사용되는 기술

질화탄소 합성에 관한 연구(g-C₃ N₄ 및 CNx ) 전 세계 연구원들의 호기심을 자극했습니다. g-C₃ N₄ 정확한 광촉매 특성을 가진 필름이 합성되었습니다[57, 58]. 열응축, 용매열, 화학기상증착, 마이크로웨이브 보조, 중합 및 열수 합성에 접근하는 방법은 광촉매 및 기타 분야에서 다양한 목적 및 분석을 위한 탄소 질화물의 제조에 효과적으로 사용되어 온 방법(표 2)입니다. ].

열 및 용매열 처리 방법

니켈 분말이 있는 상태에서 멜라민과 염화시아누르 사이의 중축합 반응을 기반으로 Li와 연구팀[41]은 질소가 풍부한 흑연질화탄소 합성을 위한 두 가지 주요 방법을 제안했습니다. 이 두 가지 방법은 벤젠을 용매로 사용하는 용매열법과 용매가 없는 고체 반응을 열처리하는 방법이었다(Fig. 7). 많은 과학자들의 다른 연구[59,60,61,62,63]에 따르면 용매열 반응은 일반적으로 세척 및 건조 후에 결정질을 생성하며 열처리 후 처리가 필요하지 않습니다. 이 과학자들은 또한 이 방법으로 향상된 광촉매 활성을 제안했습니다(그림 8).

샘플 B의 SEM 이미지:(a ) 질화탄소로 코팅된 알루미나 입자; (b ) 질화탄소의 ​​돌출된 만입의 세부사항. 열분해에 의해 얻어진 질화탄소 시트의 들쭉날쭉한 형상을 관찰할 수 있다. 샘플 A의 SEM 이미지:(c ) 및 (d ) 질화탄소로 코팅된 알루미나 입자의 모습. [60]에서 재생산

실리카 나노입자 제거 후 mp-C3N4의 TEM 이미지 및 전자 회절 패턴. 허가를 받아 복제함 [123]. Copyright John Wiley &Sons Inc., 2006년

니우앤컴퍼니 또한 Solvothermal 기술이 사용될 때 형태학적 변화를 보고했습니다[64]. Loumagne과 동료[65]는 수소에서 CH3SiCl3의 열분해를 통해 달성된 SiC 기반 침전물의 물리화학적 소유를 증언했습니다. Kelly와 그룹[66]은 열 공정을 통해 아르곤으로 채워진 글로브 박스 아래에서 혼합된 탄탈륨 염화물과 탄소 반응물을 사용하여 TaC를 합성했다고 보고했습니다. 이어서, 흑연 조립 특성을 갖는 공액 방향족 헵타진 시스템으로 주로 구성되는 열 축합 방법을 몇 차례 사용하여 g-C₃를 제조했습니다. N₄ [36]. g-C₃에 대한 용매열 기법의 사용 N₄ 합성은 구식의 열응축법에 비해 균일하고 미세한 입자 형성 등의 보수가 크고 에너지 소모가 적으며 경제성이 높다. 반대로 이러한 방법은 여전히 ​​시간이 많이 소요되며 입자 형성 및 결정화를 완료하는 데 몇 시간이 소요됩니다.

화학적 증기 증착

Roberto와 동료[60]에 의한 조사는 멜라민과 요산 사이의 반응에 의한 흑연질화탄소 합성을 위한 화학기상증착(CVD)의 사용이 높은 광촉매 활성을 갖는다고 제안했습니다. 형성된 흑연질화탄소는 헵타진 블록을 기반으로 하는 구조를 갖는 것으로 밝혀졌다.

그런 다음 Roberto와 동료들은 이러한 탄소 질화물의 성질이 들쭉날쭉한 모양(그림 7), 결정도 및 나노미터 질감을 드러낸다고 제안했습니다. Kelly et al. [66]은 열 기술을 통해 아르곤으로 채워진 글로브 박스 아래에서 혼합된 탄탈륨 염화물과 탄소를 사용하고 나중에 화학 기술을 통해 TaC 나노 입자로 변형된 반응물을 사용하여 TaC를 합성했다고 보고했습니다. CVD는 촉매 활성을 위한 다양한 장치에 사용하기 위해 구조적 품질이 높은 단층 그래핀을 제조하는 가장 유용한 방법 중 하나입니다[67]. Wang과 그룹[26, 32]은 먼저 HFCVD 방법을 사용하여 Ni 기판 위에 CNM 막을 얻었다. 이러한 필름의 준비는 CVD 조건에서 CH 및 NH 결합을 생성할 가능성이 더 높기 때문에 대부분의 CNBM 필름은 비정질입니다. 이전 연구에서 CVD 절차는 탄소 질화물을 준비하는 데 사용되며 기판 재료의 선택은 고려해야 할 매우 중요합니다. 넓은 면적의 샘플은 고온에서 다양한 탄화수소 전구체에 금속을 노출시켜 준비할 수 있습니다. 플라즈마 강화 CVD, 열 CVD 및 고온/냉벽 CVD와 같은 다양한 유형의 CVD 방법을 사용할 수 있습니다. CVD 방법은 주로 전자 사이클로트론 공명, 고온 필라멘트 보조, DC 글로우 방전, 무선 주파수 방전 및 마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착으로 구성됩니다. 보조 핫 필라멘트 화학 기상 증착(HFCVD)의 바이어스는 다이아몬드 필름 및 기타 증착에 사용되는 로컬 도구 중 하나입니다. 그래핀 형성의 정확한 메커니즘은 성장 기질에 따라 다르지만 일반적으로 탄화수소 분해 후 금속에서 핵을 형성하는 탄소 원자의 성장으로 시작되며 핵은 큰 영역으로 성장합니다[68]. 최근에는 저항성 가열 냉벽 CVD를 이용하여 고품질의 단층 그래핀을 생산하는 것도 기존의 CVD보다 100배 더 빨랐습니다.

솔-겔 합성

졸-겔 합성 기술은 겔 중간체의 변형 후 용액으로부터 고체 생성물 또는 나노 물질을 형성하는 공정이다. 이 합성 방법에서 반응물은 분자 수준에서 혼합되어 빠른 반응을 가능하게 하고 더 높은 표면적을 가진 더 균질한 생성물을 생성합니다. 놀랍게도, 이 기술은 금속 탄화물과 광촉매를 위한 질화물 공정을 포함한 다양한 유형의 나노 입자를 합성하는 데 사용되었습니다[69]. 졸-겔 공정을 사용한 금속 질화물 합성은 금속-유기 화합물(금속 원소와 디알킬아민에서 합성)의 사용으로 거슬러 올라갈 수 있습니다[70].

Microwave Heating

In recent times, microwave heating has been used widely for the preparation of fine chemicals and pharmaceuticals as compared to the methods described above, because it permits comprehensive reaction range and short reaction time, which are appropriate for production on an industrial scale [71]. A simple-minded technique was adopted by Wang and coworkers to synthesize g-C₃ N₄ using a cheap/less-expensive nitrogen-rich precursor which can then be active as a photocatalyst for the generation of H₂ and O₂ under visible-light irradiation for their research. Microwave radiation speed up the chemical reaction and decrease the energy consumed, consequently penetrating the reaction vessel and openly making available energy to the reactants and solvent with a great heat transfer rate. Microwave heating technique is unlike traditional techniques such as oil baths and heating chambers; this method is more effective and reliable. Microwave radiation, regarding to heat solvothermally pressurized and closed reaction system, the reactants can be reacted and transformed into products far more swiftly than using the conventional method. Dai and coworkers proposed a time-saving and economical process for the synthesis of g-C₃ N₄ using microwave-assisted polymerization recently. Dai and coworkers then found out that the g-C₃ N₄ sample achieved, showing submicrospheres and a high surface area of 90 m ² g ⁻¹ , (Fig. 9) and was successfully synthesized at 180 °C under microwave irradiation condition for only 30 min which revealed an enhanced photocatalytic performance [71]. Experiments performed by Hu and coworkers also revealed that the microwave- synthesized g-C₃ N₄ has good chemical and thermal stability and strong emission intensity than those of the conventional one [71]. Hu and coworkers also stated that microwave synthesized g-C₃ N₄ performed better in visible-light-responsive photocatalysis.

(a ) Thermal decomposition of uric acid to cyanuric acid; (b ) tautomers of uric acid; (c ) tautomers of cyanuric acid; (d ) schematic representation of a layer fragment of the adduct called melamine cyanurate

Physical Vapor Deposition

It consists of magnetron sputtering, ion beam deposition (IBD), reaction sputtering, and pulsed laser deposition, and so forth. Reaction sputtering is the elementary method for preparation of composites. When this technique is used to prepare g-C₃ N₄ , the mass fraction of nitrogen is usually less than 40%. Conversely, to form 훽-C₃ N₄ , the system should consist of an adequate amount of nitrogen and stoichiometric ratio should reach 57%. Niu and his group [72] achieved the g-C₃ N₄ on silicon substrate by using pulse laser evaporation C target, auxiliary deposition of atom nitrogen. Niu et al. studies found that the amount of N reached 40% in the films and then C, N atoms combined with nonpolar covalent bond. Successively, Sharma et al. [73] and Zhang et al. [74] also did some critical studies and then obtained CN푥 films by a similar method as discussed. Mihailescu and coworkers [75] also used ammonia instead of N₂ -manufactured hard CN푥 films with carbon nitrogen single bond, double bond, and triple bond and then found out that its optical band gap is 4.5 eV. From the recent study, what scientists frequently get are mixture films which comprise several crystal phases.

To consider the efficacy of prepared g-C₃ N₄ , photocatalytic hydrogen evolution using crystalline carbon nitrides (CNs) was proposed by Takanabe and his group [76]. Takanabe et al. acquired carbon nitrides by supramolecular aggregation (Table 3) which was further monitored by (Table 3) ionic melt polycondensation (IMP) using melamine and 2, 4, 6-triaminopyrimidine as a dopant. There are other few methods similar to what Takanabe and his group used in their experiment, see Table 3.

Applications of Graphitic Carbon Nitride

There are several emerging applications of this graphitic carbon nitride and such applications include based sensing, biomedical applications, wastewater and environmental treatment, solar energy utilization and being used in device making.

Solar energy Utilization

To increase the visible responsive activity of carbon nitride is not only dependent on controlling the molecule structures, synthesis, and preparation techniques of CN but also dependent on the ability to alter the electronic structures of these materials. Usually, under visible-light irradiations, carbon nitrides can be used to produce photoelectrode and thereby generating photocurrent. This ability of g-C₃ N₄ is due to the exceptional reversible protonation and deprotonation nature. One of the greatest approaches is the use solar fuel from CO₂ and water (produced by most photocatalysts) to produce H₂ , hydrocarbons, and syngas for energy and others [77, 78]. It was proposed that g-C₃ N₄ has the potential of being metal-free and scalable photocatalysts for visible-light use based on the structure, synthesis, and preparation technique applied. A recent work by Liu and team [79] has suggested a novel development of sacrificial templating method for formulating mesoporous g-C₃ N₄ spheres and a high-throughput scheme. This proposed technique can be used to synthesize g-C₃ N₄ rods, and this is best for NADH regeneration (Fig. 10a–c) for successful production of energy and others.

Schematic drawing illustrating synthetic route (templating method) and the mechanism of charge separation and photocatalytic process over C3N4 and Ag@C3N4 photocatalysts under light irradiation. Reproduced with permission [124]. Copyright 2014 Elsevier.

Wastewater and Environmental Treatment

Most petrochemical, petrochemical, textile, and food industrial processes lead to pollution in the environment, to be precise, water bodies [80]. In the production of textiles, photographic materials, and printing materials, organic dyes are used and these dyes leach into most aquatic environment during the dying process [81]. Despite the harmful impact of these dyes on human and animal health, their biological and chemical degradation is challenging [82, 83]. Due this threat, there is a need to develop a superior oxidation process for the treatment of contaminated drinking water and non-degradable materials [84, 85]. Most researches [86,87,88,89,90] have proven that the use of semiconductors such as g-C₃ N₄ for photocatalysis is the best method for the treatment of wastewater and environment due to their less harmful nature [86,87,88,89,90]. g-C₃ N₄ is best known to be the potential photocatalysts for the degradation of numerous pollutants [16, 90, 91], with photophysical potentials of the parent nitride altered through doping with heteroatoms, heterojunction formation with other materials, and textural enhancements to expand surface area and porosity. The structure, synthesis, and preparation techniques of g-C₃ N₄ nanosheets also determine the efficiency of the photocatalyst and its application in relation to wastewater treatment. Ultrathin g-C₃ N₄ nanosheets derived from bulk g-C₃ N₄ by exfoliation in methanol reveal heightened photocatalytic activity (Fig. 11) for methylene blue (MB) degradation [92]. Synthesizing and preparing of the candidate by doping metals such as Cu and Fe [93,94,95, 96] and non-metals such as B, C, O, or S [97,98,99,100], and co-doping [101,102,103] has been widely used by many scientists for water and environmental treatment. A promising solution to environmental depollution [104,105,106] is the combination of noble metals and g-C₃ N₄ [107,108,109,110,111,112].

SEM images of (a) ST, (b) thermal condensation (TC), and (c) Microwave assisted synthesis (MW) samples; (d) magnification of MW sample; Photocatalytic degradation of MO solution over MW, ST, TC C3N4, and Ag-TiO2 samples irradiated under visible light. In the experiment, a blank test was performed in which the solution was irradiated without adding a catalyst. Reproduced with permission [125]. Copyright 2017 Elsevier

In summary, the unfeasible applications in wastewater and environmental pollution of most of the utmost well-versed photocatalysts is due to some of their demerit deterrents which includes, high cost, small scale, little photocatalytic activity, and thought-provoking recycle. Reasonably, in the area of environmental remediation, g-C₃ N₄ , TiO₂ -, and ZnO-based nano-material exhibit the most promising applications as result of their low cost, high photocatalytic activity, and no second pollution on the environment [3].

Biomedical and Sensing Applications

To increase the ability of g-C₃ N₄ for sensing, biotherapy, and bioimaging usage, there is a need to alter the molecular structure, thereby enhancing the handling of the material in water. Due to the light photoluminenscence, highly recommended for biological related use, g-C₃ N₄ nano-material is a very essential candidate for biomedical and sensing applications. The application of g-C₃ N₄ for sensing, biotherapy, and bioimaging mainly considers its structure, synthesis, and preparative mechanisms. Zhang and coworkers [53] proposed that ultrathin g-C3N4 nanosheets could be used as biomarkers for the labeling of the cell’s membranes. g-C₃ N₄ has also been suggested by Lin and co. to be a potential photosensitizers and pH-responsive drug nanocarriers for cancer imaging and therapy.

Future Perspectives

From the discussion, the future research of the g-C3N4 nano-based compound may focus on synthesizing innovative g-C3N4 nano-based particle which are responsive to morphology monitoring, evaluating the photocatalysis practicality and efficacy of traditional synthesis and preparative strategies of g-C3N4 nano-based compound, and then exploring the applications of diverse g-C3N4 nano-based particles in treating commercial wastewater, its effective application in solar energy utilization, environmental treatment, biomedical and sensing applications by fully assessing their photocatalytic ability, cost, energy consumption, and reusability.