Grafitový nitrid uhlíku - Graphitic carbon nitride - Wikipedia

Porovnání objemového g-C3N4 (vlevo) a nanoplech g-C3N4 prášky, každý 100 mg.[1]

Grafitový nitrid uhlíku (g-C3N4) je rodina nitrid uhlíku sloučeniny obecného vzorce blízkého C.3N4 (i když typicky s nenulovým množstvím vodíku) a dvě hlavní spodní konstrukce založené na heptazin a poly (triazinimidové) jednotky, které v závislosti na reakčních podmínkách vykazují různé stupně kondenzace, vlastnosti a reaktivita.

Příprava

Grafitový nitrid uhlíku lze vyrobit pomocí polymerizace z kyanamid, dikyandiamid nebo melamin. Nejprve vytvořený polymerní C3N4 struktura, meloun, s přívěskem aminoskupiny, je vysoce objednaný polymer. Další reakce vede ke kondenzovanějšímu a méně defektnímu C.3N4 druh, založený na tri-s-triazin (C6N7) jednotky jako základní stavební bloky.[2]

Grafitový nitrid uhlíku lze také připravit elektrodepozice na Si (100) substrát z nasyceného aceton řešení chlorid kyanurový a melamin (poměr = 1: 1,5) při teplotě místnosti.[3]

Dobře krystalizované grafitové nanokrystaly nitridu uhlíku lze také připravit pomocí benzen-termické reakce mezi C3N3Cl3 a NaNH2 při 180–220 ° C po dobu 8–12 hodin.[4]

Nedávno byla vyvinuta nová metoda syntézy grafitových nitridů uhlíku zahříváním směsi melaminu a kyselina močová v přítomnosti oxid hlinitý byl nahlášen. Oxid hlinitý upřednostňoval ukládání vrstev grafitových nitridů uhlíku na exponovaný povrch. Tuto metodu lze asimilovat na in situ chemická depozice par (CVD).[5]

Charakterizace

Charakterizace krystalického g-C3N4 lze provést identifikací triazin kruh existující v produktech Rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS) měření, fotoluminiscence spektra a Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR) spektrum (vrcholy 800 cm−1, 1310 cm−1 a 1610 cm−1).[4]

Vlastnosti

Kvůli speciálnímu polovodič vlastnosti nitridů uhlíku, vykazují neočekávané katalytické aktivita pro různé reakce, například pro aktivaci benzen, trimerizace reakce a také aktivace oxid uhličitý (umělá fotosyntéza ).[2]

Použití

Komerční grafitový nitrid uhlíku je k dispozici pod značkou Nicanite. Ve své grafitové formě o velikosti mikronů jej lze použít pro tribologický povlaky, biokompatibilní lékařské povlaky, chemicky inertní povlaky, izolátory a pro řešení skladování energie.[6] Grafitový nitrid uhlíku je považován za jeden z nejlepších materiálů pro skladování vodíku.[7][8] Může být také použit jako podpora pro katalytické nanočástice.[1]

Oblasti zájmu

Vzhledem ke svým vlastnostem (primárně velké, nastavitelné mezery mezi pásy a účinná interkalace solí) jsou grafitické nitridy uhlíku předmětem výzkumu pro různé aplikace:

  • Fotokatalyzátory
    • Rozklad vody na H2 a O.2[9]
    • Degradace znečišťujících látek
  • Velká pásová mezera polovodič[10]
  • Heterogenní katalyzátor a podpora
    • Významná odolnost nitridů uhlíku v kombinaci s povrchovými a mezivrstvovými reaktivitami z nich činí potenciálně užitečné katalyzátory, které se spoléhají na své labilní protony a Lewisovy základní funkce. K vylepšení selektivity a výkonu lze využít modifikace, jako je doping, protonace a molekulární funkcionalizace.[11]
    • Katalyzátory nanočástic podporované na gCN jsou ve vývoji pro oba palivové články membrány s výměnou protonů a vodní elektrolyzéry.[10]
    • Navzdory tomu, že grafitový nitrid uhlíku má některé výhody, jako je mírná mezera mezi pásmy (2,7 eV), absorpce viditelného světla a flexibilita, stále má omezení pro praktické aplikace kvůli nízké účinnosti využití viditelného světla, vysoké rychlosti rekombinace foto generovaných nosičů náboje , nízká elektrická vodivost a malý měrný povrch (<10 m2g − 1).[12] Chcete-li tyto nedostatky upravit, jedním z nejatraktivnějších přístupů je dopování grafitového nitridu uhlíku uhlíkovými nanomateriály, jako jsou uhlíkové nanotrubičky. Nejprve mají uhlíkové nanotrubice velkou specifickou povrchovou plochu, takže mohou poskytovat více míst k oddělení nosičů náboje, poté snižovat rychlost rekombinace nosičů náboje a dále zvyšovat aktivitu redukční reakce.[13] Za druhé, uhlíkové nanotrubice vykazují vysokou schopnost vést elektrony, což znamená, že mohou zlepšit grafitový nitrid uhlíku s odezvou viditelného světla, účinnou separací a přenosem náboje a tím zlepšit jeho elektronické vlastnosti.[14] Zatřetí, uhlíkové nanotrubice lze považovat za druh úzkopásmového polovodičového materiálu, známého také jako fotosenzitizér, který může rozšířit rozsah absorpce světla polovodičového fotokatalytického materiálu, a tím zvýšit jeho využití viditelného světla.[15]
  • Materiály pro skladování energie
    • Vzhledem k tomu, že interkalace Li může nastat na více místech než u grafitu v důsledku mezivrstevných dutin, kromě interkalace mezi vrstvami může gCN ukládat velké množství Li[16] což je dělá potenciálně užitečné pro nabíjecí baterie.

Viz také

Reference

  1. ^ A b Chen, Xiufang; Zhang, Ligang; Zhang, Bo; Guo, Xingcui; Mu, Xindong (2016). „Vysoce selektivní hydrogenace furfuralu na furfurylalkohol přes nanočástice Pt podporované na g-C3N4 nanosety katalyzátory ve vodě ". Vědecké zprávy. 6: 28558. Bibcode:2016NatSR ... 628558C. doi:10.1038 / srep28558. PMC  4916514. PMID  27328834.
  2. ^ A b Thomas, A .; Fischer, A .; Goettmann, F .; Antonietti, M .; Müller, J.-0; Schlögl, R .; Carlsson, J. M. (2008). „Graphitic Carbon Nitride Materials: Variation of Structure and Morfhology and their Use as Metal-Free Catalysts“. Journal of Materials Chemistry. 18 (41): 4893–4908. CiteSeerX  10.1.1.529.6230. doi:10.1039 / b800274f.
  3. ^ Li, C .; Cao, C .; Zhu H. (2003). "Příprava grafitového nitridu uhlíku elektrolytickým nanášením". Bulletin čínské vědy. 48 (16): 1737–1740. doi:10.1360 / 03wb0011.
  4. ^ A b Guo, Q. X .; Xie, Y .; Wang, X. J .; Lv, S. C .; Hou, T .; Liu, X. M. (2003). "Charakterizace dobře krystalizovaných grafitových nanokrystalů z nitridu uhlíku benzenotermickou cestou při nízkých teplotách". Dopisy o chemické fyzice. 380 (1–2): 84–87. Bibcode:2003CPL ... 380 ... 84G. doi:10.1016 / j.cplett.2003.09.009.
  5. ^ Dante, R. C .; Martín-Ramos, P .; Correa-Guimaraes, A .; Martín-Gil, J. (2011). "Syntéza grafitového nitridu uhlíku reakcí melaminu a kyseliny močové". Chemie materiálů a fyzika. 130 (3): 1094–1102. doi:10.1016 / j.matchemphys.2011.08.041.
  6. ^ „Nicanite, Graphitic Carbon Nitride“. Carbodeon.
  7. ^ Nair, Asalatha A. S .; Sundara, Ramaprabhu; Anitha, N. (02.03.2015). „Výkon skladování vodíku nanočástic palladia zdobený grafitovým nitridem uhlíku“. International Journal of Hydrogen Energy. 40 (8): 3259–3267. doi:10.1016 / j.ijhydene.2014.12.065.
  8. ^ Nair, Asalatha A. S .; Sundara, Ramaprabhu (12. 5. 2016). „Nanočástice katalyzátoru ze slitiny kobaltu na bázi kobaltu usnadnily zvýšenou výkonnost ukládání vodíku grafitového nitridu uhlíku“. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (18): 9612–9618. doi:10.1021 / acs.jpcc.6b01850.
  9. ^ Wang, Xinchen; Maeda, Kazuhiko; Thomas, Arne; Takanabe, Kazuhiro; Xin, Gang; Carlsson, Johan M .; Domen, Kazunari; Antonietti, Markus (2009). "Bezkovový polymerní fotokatalyzátor pro výrobu vodíku z vody za viditelného světla". Přírodní materiály. 8 (1): 76–80. doi:10.1038 / nmat2317.
  10. ^ A b Mansor, Noramalina; Miller, Thomas S .; Dedigama, Ishanka; Jorge, Ana Belen; Jia, Jingjing; Brázdová, Veronika; Mattevi, Cecilia; Gibbs, Chris; Hodgson, David (2016). „Grafitový nitrid uhlíku jako podpora katalyzátoru v palivových článcích a elektrolyzérech“. Electrochimica Acta. 222: 44–57. doi:10.1016 / j.electacta.2016.11.008.
  11. ^ Thomas, Arne; Fischer, Anna; Goettmann, Frederic; Antonietti, Markus; Müller, Jens-Oliver; Schlögl, Robert; Carlsson, Johan M. (2008-10-14). „Grafitové materiály z nitridu uhlíku: variace struktury a morfologie a jejich použití jako bezkovových katalyzátorů“. Journal of Materials Chemistry. 18 (41): 4893. CiteSeerX  10.1.1.529.6230. doi:10.1039 / b800274f. ISSN  1364-5501.
  12. ^ Niu P, Zhang L L, Liu G, Cheng H M et al. Nanosheety nitridu uhlíku podobné grafenu pro vylepšené fotokatalytické aktivity [J]. Advanced Functional Materials, 2012, 22 (22): 4763-4770.
  13. ^ Zhang L Q, He X, Xu X W et al. Vysoce aktivní fotokatalyzátor TiO2 / g-C3N4 / G s prodlouženou spektrální odezvou směrem k selektivní redukci nitrobenzenu [J]. Aplikovaná katalýza B: Životní prostředí. 2017, 203: 65-71.
  14. ^ Dong F, Li Y H, Wang Z Y, Ho W K et al. Zvýšená fotokatalytická aktivita viditelného světla a oxidační schopnost porézních grafenových g-C3N4 nanosheetů prostřednictvím tepelné exfoliace [J]. Applied Surface Science, 2015, 358: 393–403.
  15. ^ Mishra AK, Mamba G a kol. Grafické nanokompozity nitridu uhlíku: Nová a vzrušující generace fotokatalyzátorů poháněných viditelným světlem pro sanaci znečištění životního prostředí [J]. Applied Catalysis B, 2016, 21: 351-371.
  16. ^ Wu, Menghao; Wang, Qian; Sun, Qiang; Jena, Puru (2013-03-28). "Funkcionalizovaný grafitový nitrid uhlíku pro efektivní skladování energie". The Journal of Physical Chemistry C. 117 (12): 6055–6059. doi:10.1021 / jp311972f. ISSN  1932-7447.
Soli a kovalentní deriváty nitrid ion
NH3
N2H4		Slepice2)11
Li3NBýt3N2BNβ-C3N4
g-C3N4
CXNy		N2NXÓyNF3Ne
Na3NMg3N2AlNSi3N4PN
P3N5		SXNy
SN
S4N4		NCl3Ar
K.Ca.3N2ScNCínVNCrN
Cr2N		MnXNyFeXNyOšiditNi3NCuNZn3N2GaNGe3N4Tak jakoSeNBr3Kr
RbSr3N2YNZrNNbNβ-Mo2NTcRuRhPdNAg3NCdNHospodaSnSbTeNI3Xe
ČsBa3N2 Hf3N4OpáleníWNReOsIrPtAuHg3N2TlNPbZásobníkPoNaRn
Fr.Ra3N2 RfDbSgBhHsMt.DsRgCnNhFlMcLvTsOg
↓
Los AngelesCeNPrNdOdpoledneSmEuGdNTbDyHoErTmYbLu
AcČtPaOSNNpPuDopoledneCmBkSrovEsFmMdNeLr