Графитовый нитрид углерода - Википедия - Graphitic carbon nitride

Сравнение объемных g-C3N4 (слева) и нанолист g-C3N4 порошки по 100 мг.[1]

Графитовый нитрид углерода (g-C3N4) - это семья нитрид углерода соединения с общей формулой, близкой к C3N4 (хотя обычно с ненулевым количеством водорода) и две основные субструктуры на основе гептазин и поли (триазин имид) звеньев, которые, в зависимости от условий реакции, демонстрируют разную степень конденсация, свойства и реактивность.

Подготовка

Графитовый нитрид углерода может быть получен полимеризация из цианамид, дициандиамид или же меламин. Впервые образованный полимерный C3N4 структура, дыня, с кулоном аминогруппы, это высоко упорядоченный полимер. Дальнейшая реакция приводит к более конденсированному и менее дефектному C3N4 виды, основанные на три-s-триазин (C6N7) единицы как элементарные строительные блоки.[2]

Графитовый нитрид углерода можно также получить электроосаждение на Si (100) подложка из насыщенного ацетон решение циануровой трихлорид и меламин (соотношение = 1: 1,5) при комнатной температуре.[3]

Хорошо закристаллизованные нанокристаллиты графитового нитрида углерода также могут быть получены посредством бензол-термической реакции между C3N3Cl3 и NaNH2 при 180–220 ° С в течение 8–12 ч.[4]

В последнее время появился новый метод синтеза нитридов углерода графита путем нагрева при 400-600 ° C смеси меламина и мочевая кислота в присутствии глинозем было сообщено. Оксид алюминия способствует осаждению слоев графитового нитрида углерода на открытой поверхности. Этот метод можно сравнить с методом in situ. химическое осаждение из паровой фазы (CVD).[5]

Характеристика

Характеристика кристаллического g-C3N4 может быть осуществлено путем определения триазин кольцо, присутствующее в продуктах Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) измерения, фотолюминесценция спектры и Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) спектр (пики при 800 см−1, 1310 см−1 и 1610 см−1).[4]

Характеристики

Благодаря особому полупроводник свойства нитридов углерода, они обнаруживают неожиданные каталитический активность для различных реакций, например, для активации бензол, тримеризация реакции, а также активация углекислый газ (искусственный фотосинтез ).[2]

Использует

Коммерческий графитовый нитрид углерода доступен под торговой маркой Nicanite. В своей графитовой форме микронных размеров он может использоваться для трибологический покрытия, биосовместимые медицинские покрытия, химически инертные покрытия, изоляторы и решения для хранения энергии.[6] Графитовый нитрид углерода считается одним из лучших материалов для хранения водорода.[7][8] Его также можно использовать в качестве носителя для каталитических наночастицы.[1]

Области, представляющие интерес

Благодаря своим свойствам (в первую очередь, большой регулируемой ширине запрещенной зоны и эффективному интеркалированию солей) графитовые нитриды углерода исследуются для различных областей применения:

  • Фотокатализаторы
    • Разложение воды до H2 и O2[9]
    • Разложение загрязняющих веществ
  • Большая запрещенная зона полупроводник[10]
  • Гетерогенный катализатор и поддержка
    • Значительная устойчивость нитридов углерода в сочетании с поверхностной и внутрислойной реакционной способностью делает их потенциально полезными катализаторами, полагающимися на их лабильные протоны и функциональные возможности оснований Льюиса. Такие модификации, как легирование, протонирование и молекулярная функционализация, могут использоваться для улучшения селективности и производительности.[11]
    • Катализаторы из наночастиц на основе gCN находятся в стадии разработки для обоих топливные элементы с протонообменной мембраной и водные электролизеры.[10]
    • Несмотря на то, что графитовый нитрид углерода имеет некоторые преимущества, такие как небольшая ширина запрещенной зоны (2,7 эВ), поглощение видимого света и гибкость, он все еще имеет ограничения для практического применения из-за низкой эффективности использования видимого света, высокой скорости рекомбинации фотогенерируемых носителей заряда. , низкая электропроводность и небольшая удельная поверхность (<10 м2 / г).[12] Чтобы устранить этот недостаток, одним из наиболее привлекательных подходов является легирование графитового нитрида углерода углеродными наноматериалами, такими как углеродные нанотрубки. Во-первых, углеродные нанотрубки имеют большую удельную поверхность, поэтому они могут предоставлять больше участков для разделения носителей заряда, затем снижать скорость рекомбинации носителей заряда и дополнительно увеличивать активность реакции восстановления.[13] Во-вторых, углеродные нанотрубки демонстрируют высокую способность к электронной проводимости, что означает, что они могут улучшать графитовый нитрид углерода с помощью отклика в видимом свете, эффективного разделения и переноса носителей заряда, тем самым улучшая его электронные свойства.[14] В-третьих, углеродные нанотрубки можно рассматривать как своего рода узкополосный полупроводниковый материал, также известный как фотосенсибилизатор, который может расширять диапазон поглощения света полупроводниковым фотокаталитическим материалом, тем самым улучшая использование видимого света.[15]
  • Материалы для хранения энергии
    • Из-за того, что интеркаляция Li может происходить в большем количестве участков, чем для графита, из-за пустот внутри слоя в дополнение к интеркаляции между слоями, gCN может хранить большое количество Li[16] делая их потенциально полезными для перезаряжаемые батарейки.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Чен, Сюфан; Чжан, Лиган; Чжан, Бо; Го, Синцуй; Му, Синьдун (2016). «Высокоселективное гидрирование фурфурола до фурфурилового спирта над наночастицами Pt, нанесенными на g-C.3N4 нанолистовые катализаторы в воде ». Научные отчеты. 6: 28558. Bibcode:2016НатСР ... 628558C. Дои:10.1038 / srep28558. ЧВК  4916514. PMID  27328834.
  2. ^ а б Thomas, A .; Фишер, А .; Goettmann, F .; Антониетти, М .; Müller, J.-O .; Schlögl, R .; Карлссон, Дж. М. (2008). «Графитовые материалы из нитрида углерода: изменение структуры и морфологии и их использование в качестве безметалловых катализаторов». Журнал химии материалов. 18 (41): 4893–4908. CiteSeerX  10.1.1.529.6230. Дои:10.1039 / b800274f.
  3. ^ Li, C .; Cao, C .; Чжу Х. (2003). «Получение графитового нитрида углерода методом электроосаждения». Китайский научный бюллетень. 48 (16): 1737–1740. Дои:10.1360 / 03wb0011.
  4. ^ а б Guo, Q. X .; Xie, Y .; Wang, X.J .; Lv, S. C .; Hou, T .; Лю, X. М. (2003). «Характеристика хорошо кристаллизованных графитовых нанокристаллитов нитрида углерода с помощью бензол-термического пути при низких температурах». Письма по химической физике. 380 (1–2): 84–87. Bibcode:2003CPL ... 380 ... 84 г. Дои:10.1016 / j.cplett.2003.09.009.
  5. ^ Dante, R.C .; Martín-Ramos, P .; Correa-Guimaraes, A .; Мартин-Гил, Дж. (2011). «Синтез графитового нитрида углерода реакцией меламина и мочевой кислоты». Химия и физика материалов. 130 (3): 1094–1102. Дои:10.1016 / j.matchemphys.2011.08.041.
  6. ^ «Никанит, графитовый нитрид углерода». Карбодеон.
  7. ^ Nair, Asalatha A. S .; Сундара, Рамапрабху; Анита, Н. (02.03.2015). «Способность накапливать водород наночастиц палладия, украшенных графитным нитридом углерода». Международный журнал водородной энергетики. 40 (8): 3259–3267. Дои:10.1016 / j.ijhydene.2014.12.065.
  8. ^ Nair, Asalatha A. S .; Сундара, Рамапрабху (12 мая 2016 г.). «Наночастицы катализатора из палладий-кобальтового сплава способствовали улучшенным характеристикам хранения водорода в графитовом нитриде углерода». Журнал физической химии C. 120 (18): 9612–9618. Дои:10.1021 / acs.jpcc.6b01850.
  9. ^ Ван, Синьчэнь; Маэда, Кадзухико; Томас, Арне; Таканабэ, Казухиро; Синь, банда; Карлссон, Йохан М .; Домен, Казунари; Антониетти, Маркус (2009). «Безметалловый полимерный фотокатализатор для получения водорода из воды в видимом свете». Материалы Природы. 8 (1): 76–80. Дои:10.1038 / nmat2317.
  10. ^ а б Мансор, Норамалина; Миллер, Томас С .; Дедигама, Ишанка; Хорхе, Ана Белен; Цзя, Цзинцзин; Браздова, Вероника; Маттеви, Сесилия; Гиббс, Крис; Ходжсон, Дэвид (2016). «Графитовый нитрид углерода в качестве катализатора в топливных элементах и ​​электролизерах». Electrochimica Acta. 222: 44–57. Дои:10.1016 / j.electacta.2016.11.008.
  11. ^ Томас, Арне; Фишер, Анна; Геттманн, Фредерик; Антониетти, Маркус; Мюллер, Йенс-Оливер; Шлёгль, Роберт; Карлссон, Йохан М. (14 октября 2008 г.). «Графитовые материалы из нитрида углерода: изменение структуры и морфологии и их использование в качестве безметалловых катализаторов». Журнал химии материалов. 18 (41): 4893. CiteSeerX  10.1.1.529.6230. Дои:10.1039 / b800274f. ISSN  1364-5501.
  12. ^ Ниу П., Чжан Л. Л., Лю Дж., Ченг Х. М. и др. Графеноподобные нанолисты нитрида углерода для улучшения фотокаталитической активности [J]. Современные функциональные материалы, 2012, 22 (22): 4763-4770.
  13. ^ Zhang L Q, He X, Xu X W и др. Высокоактивный фотокатализатор TiO2 / g-C3N4 / G с расширенным спектральным откликом на селективное восстановление нитробензола [J]. Прикладной катализ B: Окружающая среда. 2017, 203: 65-71.
  14. ^ Донг Ф, Ли Й Х, Ван Зи Й, Хо В. К. и др. Повышенная фотокаталитическая активность в видимом свете и окислительная способность пористых графеноподобных нанолистов g-C3N4 за счет термического отшелушивания [J]. Прикладная наука о поверхности, 2015, 358: 393–403.
  15. ^ Мишра А. К., Мамба Г. и др. Графические нанокомпозиты из нитрида углерода: новое захватывающее поколение фотокатализаторов, работающих в видимом свете, для устранения загрязнения окружающей среды [J]. Прикладной катализ B, 2016, 21: 351-371.
  16. ^ Ву, Мэнгао; Ван, Цянь; Сунь, Цян; Йена, Пуру (28 марта 2013 г.). «Функционализированный графитовый нитрид углерода для эффективного хранения энергии». Журнал физической химии C. 117 (12): 6055–6059. Дои:10.1021 / jp311972f. ISSN  1932-7447.
Соли и ковалентные производные нитрид ион
NH3
N2ЧАС4		Курицы2)11
Ли3NБыть3N2BNβ-C3N4
g-C3N4
CИксNу		N2NИксОуNF3Ne
Na3NMg3N2AlNSi3N4PN
п3N5		SИксNу
SN
S4N4		NCl3Ar
KCa3N2ScNБанкаVNCrN
Cr2N		MnИксNуFeИксNуПротивNi3NCuNZn3N2GaNGe3N4В качествеSeNBr3Kr
Руб.Sr3N2YNZrNNbNβ-Mo2NTcRURhPdNAg3NCdNГостиницаSnSbTeNI3Xe
CSБа3N2 Hf3N4TaNWNReОперационные системыIrPtAuHg3N2TlNPbBiNПоВRn
ПтРа3N2 RfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvЦOg
↓
ЛаCeNPrNdВечераСмЕвропаGdNTbDyХоЭТмYbЛу
AcЧтПаООНNpПуЯвляюсьСмBkCfEsFMМкрНетLr