Mini Review over de structuur en eigenschappen (fotokatalyse) en voorbereidingstechnieken van op grafietkoolstofnitride op nano gebaseerd deeltje, en zijn toepassingen

Recensie

Grafitisch koolstofnitride en fotokatalyse

Fotokatalyse wordt het best aangeduid als de versnelling van chemische omzettingen (oxidaties en reducties) die tot stand worden gebracht door de activering van een katalysator. Deze reactie omvat een halfgeleider, hetzij alleen, hetzij in combinatie met metaal/organische/organometallische promotors, door lichtabsorptie, volgend op lading of energieoverdracht om te worden geadsorbeerd, wat kan leiden tot de fotokatalytische transformatie van een verontreinigende stof. Tijdens een fotokatalysemechanisme vinden gelijktijdig ten minste twee hoofdacties plaats die bijdragen aan een succesvolle productie van reactieve oxiderende soorten (Fig. 2). Deze reacties zijn oxidatie van dissociatief geadsorbeerd H₂ O meestal gegenereerd door fotogegenereerde gaten en reductie van een elektronenacceptor die ook wordt gecreëerd door foto-geëxciteerde elektronen (figuur 2). Daarom produceren deze reacties respectievelijk een hydroxyl- en superoxideradicaalanion [11]. Tijdens de fotokatalysereactie is het duidelijk dat er foton-geassisteerde generatie van katalytisch actieve soorten is in plaats van de werking van licht als katalysator in een reactie [12,13,14,15, 16]. Aanzienlijk wordt het oogsten van zichtbaar licht, meestal uit zonlicht, door een katalysator (fotokatalysator) om chemische transformaties te initiëren (figuur 1) beschreven als fotokatalyse. Toepassing van C₃ N₄ fotokatalysator voor afvalwaterbehandeling, gebruik van zonne-energie, milieubehandeling en biomedische en sensortoepassingen is in veel wetenschapsgebieden besproken.

Schematisch diagram van de basismechanismen van de fotokatalytische activiteit van watersplitsing. Met toestemming overgenomen [113, 114]. Copyright 2015 &2018. De Royal Society of Chemistry

Verlichting van een halfgeleiderkatalysator, zoals TiO₂ , ZnO, ZrO₂ , en CeO₂ , waarbij fotonen energie dragen die gelijk is aan of groter is dan de bandafstand, waardoor een elektronengatpaar wordt gecreëerd dat lijkt op foto-geïnduceerde elektronenoverdracht en absorptie van licht, bevordert één elektron in de geleidingsband. Het oxide kan zijn elektron (figuur 2) overbrengen naar elke geadsorbeerde elektronenacceptor (waardoor de reductie wordt bevorderd), terwijl het gat (of de elektronenvacature) een elektron van een geadsorbeerde donor kan accepteren (waardoor de oxidatie wordt bevorderd). g-C₃ N₄ is in staat de ontwikkeling van waterstof/zuurstof en CO₂ . te katalyseren reductie onder bandgap-excitatie en in aanwezigheid van geschikte co-katalysatoren en/of opofferingsmiddelen.

Schematische illustratie van organische heterojunctie gevormd tussen g-C3N4 en S-gedoteerde g-C3N4. Overgenomen van ref. [115]. Copyright 2015. Elsevier

Grafitisch koolstofnitride op nano gebaseerd deeltje

Van materialen met 1D-nanostructuren met verschillende elektronische, chemische en optische eigenschappen kan hun grootte en morfologie worden aangepast. Dit vermogen van de 1D-nanogestructureerde materialen heeft geleid tot een nieuwe vooruitgang van verschillende benaderingen om hun fotokatalytische activiteit te verbeteren [17]. Bovendien is er geleiding van elektronenbeweging in de axiale richting en laterale opsluiting van elektronen door deze 1D-nanostructuren. Er is vooruitgang geweest van 2D-materialen van grafeen tot metaaloxide en metaalchalcogenide nanosheets en vervolgens tot 2D covalente organische raamwerken (g-C3N4).

De juiste selectie van voorlopers en condensatiemethoden hadden geleid tot twee hoofdtypen g-C₃ N₄ structurele polymorfen en dit omvat ten eerste de g-C₃ N₄ bestaan ​​uit gecondenseerde s-triazine-eenheden (ring van C₃ N₃ ) met een periodieke reeks single-carbon vacatures. Het tweede type g-C₃ N₄ bestaat uit het gecondenseerde tri-s-triazine (tri-ring van C₆ N₇ ) subeenheden gekoppeld via vlakke tertiaire aminogroepen, en dit heeft grotere periodieke vacatures in het rooster. De g-C₃ N₄ netwerken bestaan ​​voornamelijk uit op meloen gebaseerde segmenten (de structuur van het tweede type; deze bestaat uit de tri-s-triazine-eenheid, figuur 3a) die thermodynamisch stabieler is in vergelijking met de op melamine gebaseerde arrangementen (de structuur van het eerste type; deze bestaat uit het s-triazine, Fig. 3b) zoals beschreven door de functionele theorie (DFT) berekeningen [18]. Daarom wordt algemeen aangenomen dat de tri-s-triazine-kern de fundamentele bouwstenen is voor de vorming van de g-C₃ N₄ netwerk.

een Tri-s-triazine en b tri-s-triazine als eenheidsstructuren van g-C₃ N₄ . Met toestemming overgenomen [25, 31]. Copyright 2008 Royal Society of Chemistry

Structuur van op grafietkoolstofnitride op nano gebaseerd deeltje

g-C₃ N₄ zijn een klasse van tweedimensionale (2D) polymere materialen die volledig bestaan ​​uit covalent gebonden, sp₂ -gehybridiseerde koolstof- en stikstofatomen. Koolstof en stikstof onderscheiden zich van verschillende valentietoestanden die binding vormen; daarom, in g-C₃ N₄ , er zijn verschillende valentiebindingsstructuren. Onderzoekswerkzaamheden hebben ertoe geleid dat sommige C₃ N₄ defectstructuren en amorfe structuren van g-C₃ N₄ zijn nog steeds de metastabiele structuren, maar met de opleving van N-leegstand, deze twee soorten configuraties van g-C₃ N₄ materiaal neemt meestal af in bulkmodulus. De structurele kenmerken, samenstelling van materialen en kristalliniteit van g-C₃ N₄ kan worden gekarakteriseerd en geëvalueerd met behulp van XRD-, XPS- en Raman-technieken. In 1830 beschreef Berzelius de algemene formule (C₃ N₃ H) n en Liebig bedachten ook de notatie "meloen", en deze voorspellingen hadden vervolgens geleid tot meer onderzoek gericht op koolstofnitride-oligomeren en -polymeren [19, 20]. Verder zijn deze kristalstructuren gevonden en vermeld in experimenten [21,22,23]. De α-C₃ N₄ is eerder gevonden door Yu en collega's [24]. Een grafietachtige geladen 2D-structuur van het grafiet C₃ N₄ wordt meestal waargenomen als een door stikstof heteroatoom gesubstitueerd grafietraamwerk dat voornamelijk p-geconjugeerde grafietvlakken omvat, en het is met sp ² hybridisatie van koolstof- en stikstofatomen. Kristallijn grafiet is 3% minder dicht dan de g-C₃ N₄ . Door de lokalisatie van elektronen te verschuiven en vervolgens de bindingen tussen de lagen te consolideren als gevolg van de substitutie van het stikstofheteroatoom, kan de tussenlaagafstand van g-C₃ worden verlicht. N₄ [25].

Elektronische structuur en eigenschappen van g-C₃ N₄

Momenteel wordt g-C3N4 beschouwd als een nieuwe generatie fotokatalysator om de fotokatalytische activiteit van traditionele fotokatalysatoren zoals TiO₂ te herstellen. , ZnO en W03. Er wordt aangenomen dat g-C3N4 een grafietachtige structuur heeft [26,27,28, 29, 30]. De thermische polycondensatiemethode wordt over het algemeen gebruikt om g-C3N4 te bereiden en dus om de elektronische structuur van g-C3N4 te onderzoeken.

De α-C₃ N₄ is eerder gevonden door Yu en collega's [24]. Deze wetenschappers gebruikten de berekeningsprocedure van het clustermodel voor kwantummechanica en ontwikkelden α-C₃ N₄ door optimalisatie van de elektronische structuur van g-C₃ N₄ voor fotokatalyse en andere. In de structuur van alpha-C₃ N₄ , C- en N-atomen gekoppeld door sp ³ de sleutel was om de tetraëderstructuur van g-C3N4 te ontwerpen. Liu en Cohen anticipeerden op het bestaan ​​van bèta-C₃ N₄ door middel van bandconcept van eerste principes en voorbereide beta-C₃ N₄ gebaseerd op β -Si₃ N₄ elektronische structuur. Liu en Cohen onthulden toen dat de structuur van β -C₃ N₄ was hexagonaal en omvatte 14 atomen voor elke eenheidscel.

De uitstekende voorspelling die Liu en Cohen in 1989 verwachtten dat de b-polymorf C₃ N₄ zou uitzonderlijk hoge hardheidswaarden hebben in vergelijking met diamant heeft tot nu toe wetenschappelijk onderzoek enthousiast gemaakt [26]. In 1993, C₃ N₄ dunne films via magnetron snuiven van een grafiet doelwit op Si (100) en polykristallijne Zr-substraten onder een zuivere stikstofomgeving en rekening houdend met de structuur van C₃ N₄ met analytische elektronenmicroscopie en Raman-spectroscopie werden gesynthetiseerd door Chen en co-auteurs [27, 31]. Wetenschappers, Teter en Hemley [28], voorspelden dat alpha-C₃ N₄ , bèta-C₃ N₄ , kubieke-C₃ N₄ , pseudo kubieke-C₃ N₄ , en grafiet C₃ N₄ vertonen een uitgesproken hardheid die die van diamant benadert in hun experiment dat ze 3 jaar later uitvoerden, zoals reeds beschreven in overeenstemming met eerste-principeberekeningen van de relatieve stabiliteit, structuur en fysische eigenschappen van koolstofnitridepolymorfen.

Wang en collega's [26, 32] pasten ab initio evolutionaire algoritmestructuurzoekopdrachten toe om de precieze structuur van g-C3N4 te berekenen, bereid door thermische polycondensatie en zoutsmeltsynthesemethoden voor een verbeterde op zichtbaar licht reagerende fotokatalyse. De meest stabiele structuur 1-3 werd voorspeld voor op heptazine gebaseerd g-C3N4. De volgorde van fasestabiliteit was 1> 2> 3. In tegenstelling tot andere gelaagde structuren waren vervormde fasen in op heptazine gebaseerd g-C3N4 (zie figuur 3) het meest stabiel. Deze structuur draagt ​​bij aan de verbeterde fotokatalytische activiteit van de belofte. In g-C3N4 zijn lone pair-elektronen van stikstof meestal verantwoordelijk voor de bandstructuur en ontwikkeling van de valentieband.

Bereiding van op grafietkoolstofnitride op nano gebaseerd deeltje

Synthese

De interessante tribologische en elektronische aard van grafiet-koolstofnitriden maakt het mogelijk een methode te ontwikkelen om op gecontroleerde wijze lagen grafiet-koolstofnitriden af ​​te zetten; vandaar dat grafeennitride kan worden verkregen. Het referentiedeeltje ter vergelijking is aanzienlijk het omvangrijke g-C3N4. Dit deeltje kan het best worden bereikt door selectie van stikstofrijke voorlopers te gebruiken zonder directe C-C-binding, zoals cyaanamide, dicyaandiamide, melamine, thioureum, ureum of mengsels via verschillende bereidingsmethoden (tabellen 1, 2 en 3), voor onmiddellijke, thermische condensatie [33]. Koolstofnitridematerialen zijn meestal bulkbronnen met een klein oppervlak, meestal minder dan 10 m ² g ⁻¹ wanneer ze worden bereid of gesynthetiseerd door directe condensatie van de stikstofhoudende organische voorlopers [34].

Mesoporeuze structuur, wanneer gemineraliseerd en het specifieke oppervlak versterkt, helpt om de fysisch-chemische eigenschappen te verfijnen en verhoogt vervolgens de fotokatalytische prestaties van grafiet-koolstofnitride (g-C₃ N₄ ). Nanogieten/replicatie van mesoporeuze silicamatrices is de eerste methode die wordt gebruikt om grafietkoolstofnitride te bereiden (g-C₃ N₄ ), deze waren beroemd om hun cohort van de overeenkomstige koolstofnanostructuren [35]. Er werden vervolgens grote inspanningen geleverd om meer innovatieve schema's voor g-C₃ . uit te brengen N₄ modificatie, die enthousiast werd gemaakt door de harde sjabloonmethode (tabel 1). Liu en Cohen ontdekten toen de (tabel 1) zachte sjabloontechniek [26], en de andere g-C₃ N₄ modificatieschema's zoals impregnatie met zure oplossing, de ultrasone dispersiemethode en chemische functionalisering [26] werden ook ontdekt. Deze methoden zoals hierboven beschreven waren goede tekenen van het principe bij het wijzigen van de chemische oppervlakte-eigenschappen en de textuur van g-C₃ N₄ , alleen met zijn elektronische mogelijkheden.

Thermische behandelingen, zoals fysieke dampafzetting (PVD) [36], chemische dampafzetting (CVD) [37], solvothermische methode [38] en vastestofreactie [38], worden gebruikt voor het polymeriseren van overvloedig stikstofrijk en zuurstof -vrije voorlopers van verbindingen bestaande uit vooraf gebonden C-N-kernstructuren (triazine- en heptazine-derivaten), en deze dienen als basistechnieken voor grafietkoolstofnitride (gC₃ N₄ ) synthese. De algemeen gebruikte voorlopers voor de bereiding van grafietkoolstofnitride (g-C₃ N₄ ) door polymerisatie omvatten cyanamide [39], dicyaandiamide [40], melamine [41], ureum [42], thioureum [43], guanidiniumchloride [44] en guanidinethiocyanaat [45]. Het direct gebruik van volbrachte elementen is op veel gebieden een uitdaging; dit komt door de zwakke dispersiteit en de gewone aard van de bulk g-C₃ N₄ . Het gebruik van ruime micro/nanostructuren en morfologieën om verschillende soorten g-C₃ te bereiden N₄ is de afgelopen jaren intensief onderzocht door wetenschappers met fotokatalyse-onderzoeken. Bijvoorbeeld ultradunne g-C₃ N₄ nanosheets die zijn gemaakt door bulk g-C₃ . te exfoliëren N₄ materialen [46,47,48] waren negatief geladen en konden goed in water worden verspreid.

Thermische oxidatie-exfoliatie, ultrasone exfoliatie en chemische exfoliatie staan ​​bekend als de belangrijkste exfoliatiemethoden die worden gebruikt voor het bereiden van g-C₃ N₄ materialen. Meso-g-C₃ N₄ materialen hebben geweldige prestaties, zoals een geweldige fotokatalytische activiteit vanwege hun grotere specifieke oppervlak (tot 830 m ² g ⁻¹ ) en grotere porositeit (tot 1,25 cm ³ g ⁻¹ ); ook verbeteren het grotere aantal actieve sites op het oppervlak en de hogere selectiviteit in grootte of vorm hun uitstekende prestaties. De uiterst essentiële routes voor de bereiding van meso-g-C₃ N₄ omvatten methoden voor zachte sjablonen (zelfassemblage) [49, 50] en harde sjablonen (nano-casting) [51] (tabel 1 en afb. 4). Kleinere maten, in de volksmond bekend als g-C₃ N₄ kwantumdots (QD's), werden door veel grote onderzoekswetenschappers gebruikt bij hun onderzoeken voor de synthese van g-C₃ N₄ [52.53.54.55]. Twee hoofdbenaderingen om 2D g-C₃ . te synthetiseren N₄ nanosheets zijn delaminatie van gelaagde g-C₃ N₄ vaste stoffen in vrijstaande nanosheets, meestal bekend als top-down-strategie (figuur 5) en de anisotrope assemblage van organische moleculen op een 2D-manier (figuur 6), ook wel bottom-up-strategie genoemd. [56] Opmerkelijk voor de diverse chemische structuur en elektronische bandstructuur van de CN-nanobladen, onthulden de zoals voorbereide CN-nanobladen een unieke elektrochemiluminescentie (ECL) emissierespons op talrijke metaalionen. Hierdoor is er een succesvolle ontwikkeling geweest van een ECL-sensor met snelle detectie van talrijke metaalionen.

TEM-afbeeldingen van TCN (a en b ) en MCN (c en d ) met behulp van een harde sjablonenbenadering. Overgenomen met toestemming van [120]. Copyright 2015. Elsevier

Schematische illustratie van het synthetiseren van CNN's met behulp van de top-down en bottom-up strategieën (overgenomen van ref. [121] met toestemming van The Royal Society of Chemistry)

Schematisch diagram van voorbereiding en verbeterde fotokatalytische met zichtbaar licht door de afname van RhB door verschillende fotokatalysatoren als een functie van de bestralingstijd van zichtbaar licht (belading van fotokatalysatoren, 0,5 g/L; initiële RhB-concentratie, ongeveer 10 mg/L, zonder pH-modulatie). De gebruikte fotokatalysatoren waren zuiver g-C3N4 en a serie g-C3N4/ BiOCl-hybriden, b cyclische afbraak van RhB over BC3, c XRD-patronen van BC3-fotokatalysatoren voor en na het fotokatalytische proces, en d plots van TOC versus degradatietijd. (Overgenomen uit ref. [122] met toestemming van Springer-Verlag GmbH Duitsland 2017)

Technieken die worden gebruikt bij het bereiden van op grafietkoolstofnitride op nano gebaseerd deeltje

Het onderzoek naar de synthese van koolstofnitride (g-C₃ N₄ en CNx ) heeft de nieuwsgierigheid van onderzoekers van over de hele wereld geprikkeld. g-C₃ N₄ en films met precieze fotokatalytische eigenschappen zijn gesynthetiseerd [57, 58]. Thermische condensatie, solvotherme, chemische dampafzetting, microgolf-ondersteunde, polymerisatie en hydrothermische synthese die worden benaderd, zijn methoden (tabel 2) die effectief zijn gebruikt bij de bereiding van koolstofnitride voor verschillende doeleinden en analyse op het gebied van fotokatalyse en andere [9 ].

Thermische en Solvothermische behandelingsmethoden

Op basis van de polycondensatiereactie tussen melamine en cyanuurchloride in aanwezigheid van nikkelpoeder, stelden Li en onderzoeksteam [41] twee belangrijke methoden voor de synthese van stikstofrijke grafietkoolstofnitriden voor. Deze twee methoden waren solvothermische methoden waarbij benzeen werd gebruikt als oplosmiddel en een oplosmiddelvrije vaste reactiemethode met thermische behandeling (Fig. 7). Andere werken van veel wetenschappers [59,60,61,62, 63] suggereerden dat solvothermische reacties gewoonlijk kristallijn produceren na wassen en drogen, en geen nagloeibehandeling vereisen. Deze wetenschappers stelden ook verbeterde fotokatalytische activiteiten voor met deze methode (Fig. 8).

SEM-afbeeldingen van monster B:(a ) aluminiumoxidedeeltjes bedekt met koolstofnitride; (b ) detail van de uitstekende inkepingen van koolstofnitride. Het is mogelijk om de grillige vorm van de koolstofnitridevellen die door pyrolyse zijn verkregen, waar te nemen. SEM-afbeeldingen van monster A:(c ) en (d ) aanzichten van aluminiumoxidedeeltjes bedekt met koolstofnitride. Overgenomen van [60]

TEM-afbeeldingen en een elektronendiffractiepatroon van mp-C3N4 na verwijdering van de silica-nanodeeltjes. Met toestemming overgenomen [123]. Copyright John Wiley &Sons Inc., 2006

Niu en co. rapporteerde ook de morfologische veranderingen wanneer de solvothermische techniek werd gebruikt [64]. Loumagne en collega's [65] getuigden van de fysisch-chemische bezittingen van op SiC gebaseerde afzettingen, bereikt via de thermische ontleding van CH3SiCl3 in waterstof. Kelly en groep [66] rapporteerden de synthese van TaC met behulp van reactanten tantaal (V) chloride en koolstof gemengd onder een met argon gevulde handschoenenkast door het thermische proces. Achtereenvolgens is de thermische condensatiemethode, die meestal bestaat uit een geconjugeerd aromatisch heptazinesysteem met grafische assemblagekenmerken, verschillende momenten gebruikt om g-C₃ te bereiden N₄ [36]. Het gebruik van solvothermische techniek voor g-C₃ N₄ synthese heeft grote voordelen zoals gelijkmatige en fijne deeltjesvorming, weinig energieverbruik en een hogere economische haalbaarheid in vergelijking met de verouderde thermische condensatiemethode. Omgekeerd zijn deze methoden nog steeds tijdrovend, waarbij tot op zekere hoogte enkele uren nodig zijn om de vorming en kristallisatie van de deeltjes te voltooien.

Chemische dampafzetting

Onderzoek door Roberto en collega's [60] suggereerde het gebruik van chemische dampafzetting (CVD) voor de synthese van grafietkoolstofnitride door de reactie tussen melamine en urinezuur met een hoge fotokatalytische activiteit. Er werd gevonden dat het gevormde grafietkoolstofnitride een structuur had op basis van heptazineblokken.

Roberto en collega's stelden vervolgens voor dat de aard van deze koolstofnitrides een grillige vorm vertoonde (Fig. 7), kristalliniteit en een nanometrische textuur. Kelly et al. [66] heeft de synthese van TaC gerapporteerd met behulp van reactanten tantaal (V) chloride en koolstof gemengd onder een met argon gevulde handschoenenkast via thermische techniek en later omgezet in TaC-nanodeeltjes via chemische techniek. CVD is een van de meest bruikbare methoden om monolaag grafeen van hoge structurele kwaliteit te bereiden voor gebruik in verschillende apparaten voor katalytische activiteiten [67]. Wang en groep [26, 32] verkregen CN푥-films op Ni-substraat door eerst de HFCVD-methode te gebruiken. Omdat de bereiding van deze films waarschijnlijker is om C-H- en N-H-koppeling te produceren onder de CVD-omstandigheden, zijn de meeste CN푥-films amorf. Uit eerdere studies zijn CVD-procedures gebruikt om koolstofnitriden te bereiden, de keuze van substraatmaterialen is zeer kritisch om te overwegen. Monsters met een groot oppervlak kunnen worden bereid door een metaal bij hoge temperaturen bloot te stellen aan verschillende koolwaterstofprecursoren. Er zijn verschillende soorten CVD-methoden beschikbaar, zoals plasma-versterkte CVD, thermische CVD en hot/cold wall CVD. CVD-methoden bestaan ​​voornamelijk uit elektronencyclotronresonantie, door hete gloeidraad geassisteerd, DC-gloeiontlading, radiofrequente ontlading en chemische dampafzetting in microgolfplasma. Bias van extra hete filament chemische dampafzetting (HFCVD) is een van de lokale instrumenten die worden gebruikt bij de afzetting van diamantfilms en andere. Het exacte mechanisme van de vorming van grafeen hangt af van het groeisubstraat, maar begint meestal met de groei van koolstofatomen die op het metaal kiemen na ontleding van de koolwaterstoffen, en de kernen groeien vervolgens tot grote domeinen [68]. Onlangs geproduceerd hoogwaardig monolaag grafeen met behulp van resistieve verwarming koude muur CVD was ook 100 keer sneller dan conventionele CVD.

Sol–Gel-synthese

Sol-gel-synthetische techniek is een proces waarbij een vast product of een nanomateriaal wordt gevormd uit een oplossing na de transformatie van het geltussenproduct. Bij deze synthesemethode worden reactanten op moleculair niveau gemengd, wat snelle reacties mogelijk maakt en leidt tot meer homogene producten met een groter oppervlak. Opmerkelijk is dat deze techniek is gebruikt om verschillende soorten nanodeeltjes te synthetiseren, waaronder metaalcarbide- en nitrideprocessen voor fotokatalyse [69]. De synthese van metaalnitride met behulp van sol-gel-processen kan worden herleid tot het gebruik van metaal-organische verbindingen (gesynthetiseerd uit metaalelement en dialkylamine) [70].

Magnetronverwarming

In de afgelopen tijd is microgolfverwarming op grote schaal gebruikt voor de bereiding van fijnchemicaliën en farmaceutische producten in vergelijking met de hierboven beschreven methoden, omdat het een uitgebreid reactiebereik en korte reactietijd mogelijk maakt, wat geschikt is voor productie op industriële schaal [71]. Wang en collega's hebben een simpele techniek toegepast om g-C₃ . te synthetiseren N₄ met behulp van een goedkope/goedkope stikstofrijke voorloper die vervolgens actief kan zijn als fotokatalysator voor het genereren van H₂ en O₂ onder bestraling met zichtbaar licht voor hun onderzoek. Microgolfstraling versnelt de chemische reactie en vermindert de verbruikte energie, waardoor het reactievat binnendringt en openlijk energie beschikbaar wordt gesteld aan de reactanten en het oplosmiddel met een grote warmteoverdrachtssnelheid. Magnetronverwarmingstechniek is anders dan traditionele technieken zoals oliebaden en verwarmingskamers; deze methode is effectiever en betrouwbaarder. Microgolfstraling, met betrekking tot het solvothermisch onder druk staand en gesloten reactiesysteem, kunnen de reactanten veel sneller worden gereageerd en omgezet in producten dan met de conventionele methode. 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.

(een ) 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.