Графитовый нитрид углерода

Графитовый нитрид углерода (gC ₃ N ₄ ) представляет собой семейство соединений нитрида углерода с общей формулой, близкой к C ₃ N ₄ (хотя обычно с ненулевым количеством водорода) и двумя основными субструктурами на основе гептазина и поли(триазинимида). единицы, которые в зависимости от условий реакции проявляют различную степень конденсации , свойства и реакционную способность .

Подготовка

нитрид углерода можно получить полимеризацией цианамида дициандиамида , Графитовый или меламина . Впервые образовавшаяся полимерная структура C ₃ N ₄ , дыня , с боковыми аминогруппами представляет собой высокоупорядоченный полимер . Дальнейшая реакция приводит к образованию более конденсированных и менее дефектных частиц C ₃ N ₄ на основе звеньев три-с-триазина (C ₆ N ₇ ) в качестве элементарных строительных блоков. ^[2]

Графитовый нитрид углерода можно также получить электроосаждением на подложку Si (100) из насыщенного ацетонового раствора трихлорида циануровой кислоты и меламина (соотношение =1:1,5) при комнатной температуре. ^[3]

Хорошо закристаллизованные графитовые нанокристаллиты нитрида углерода можно получить также бензолтермической реакцией между C ₃ N ₃ Cl ₃ и NaNH ₂ при 180–220 °С в течение 8–12 ч. ^[4]

новый метод синтеза графитовых нитридов углерода путем нагревания при 400-600 °С смеси меламина и мочевой кислоты в присутствии оксида алюминия Недавно появился . Оксид алюминия способствовал осаждению слоев графитовых нитридов углерода на открытой поверхности. Этот метод можно сравнить с химическим осаждением из паровой фазы (CVD) in situ. ^[5]

Характеристика

Характеристика кристаллического gC ₃ N ₄ может быть проведена путем идентификации триазинового кольца, существующего в продуктах, с помощью измерений рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), спектров фотолюминесценции и спектра инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) (пики при 800 см-1). ⁻¹, 1310 см ⁻¹ и 1610 см ⁻¹). ^[4]

Характеристики

Благодаря особым полупроводниковым свойствам нитридов углерода они проявляют неожиданную каталитическую активность для множества реакций, например, для активации бензола , реакций тримеризации , а также активации углекислого газа ( искусственный фотосинтез ). ^[2]

Использование

Коммерческий графитовый нитрид углерода доступен под торговой маркой Nicanite. В графитовой форме микронного размера его можно использовать для трибологических покрытий, биосовместимых медицинских покрытий, химически инертных покрытий, изоляторов и решений 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 наночастиц . ^[1]

Области интересов

Благодаря своим свойствам (в первую очередь большой, настраиваемой запрещенной зоне и эффективной интеркаляции солей) графитовые нитриды углерода исследуются для различных применений:

Фотокатализаторы
- Разложение воды на H ₂ и O ₂^[9]
- Деградация загрязняющих веществ
с большой запрещенной зоной Полупроводник ^[10]
Гетерогенный катализатор и носитель
- Значительная устойчивость нитридов углерода в сочетании с поверхностной и внутрислойной реакционной способностью делает их потенциально полезными катализаторами, основанными на их лабильных протонах и функциональных возможностях оснований Льюиса. Такие модификации, как легирование, протонирование и молекулярная функционализация, можно использовать для улучшения селективности и производительности. ^[11]
- Катализаторы наночастиц, нанесенные на gCN, находятся в стадии разработки как для топливных элементов с протонообменной мембраной, так и для электролизеров воды . ^[10]
- Несмотря на то, что графитовый нитрид углерода имеет некоторые преимущества, такие как небольшая запрещенная зона (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 малая удельная поверхность (<10 м ²г ⁻¹). ^[12] Чтобы исправить 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 обеспечить больше мест для разделения носителей заряда, затем уменьшить скорость рекомбинации носителей заряда и еще больше увеличить активность реакции восстановления. ^[13] Во-вторых, углеродные нанотрубки демонстрируют высокую способность проводить электроны, что означает, что они могут улучшить графитовый нитрид углерода с видимым световым откликом, эффективным разделением и переносом 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 расширить диапазон поглощения света полупроводниковым фотокаталитическим материалом, тем самым улучшая его использование видимого света. ^[15]
Материалы для хранения энергии
- Поскольку интеркаляция Li может происходить в большем количестве мест, чем графит, из-за внутрислоевых пустот в дополнение к интеркаляции между слоями, gCN может хранить большое количество Li. ^[16] что делает их потенциально полезными для аккумуляторных батарей.

См. также

Бета-нитрид углерода

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Чен, Сюфан; Чжан, Лиган; Чжан, Бо; Го, Синцуй; Му, Синьдун (2016). «Высокоселективное гидрирование фурфурола в фурфуриловый спирт на наночастицах Pt, нанесенных на нанолистовые катализаторы gC ₃ N ₄ в воде» . Научные отчеты . 6 : 28558. Бибкод : 2016NatSR...628558C . дои : 10.1038/srep28558 . ПМЦ 4916514 . ПМИД 27328834 .
^ Jump up to: ^а ^б Томас, А .; Фишер, А.; Геттманн, Ф.; Антониетти, М.; Мюллер, Ж.-О.; Шлёгль, Р.; 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 . S2CID 53124927 .
^ Ли, К.; Цао, К.; Чжу Х. (2003). «Получение графитового нитрида углерода электроосаждением». Китайский научный бюллетень . 48 (16): 1737–1740. Бибкод : 2003ЧСБу..48.1737Л . дои : 10.1360/03wb0011 . S2CID 198138645 .
^ Jump up to: ^а ^б Го, QX; Се, Ю.; Ван, XJ; Льв, СК; Хоу, Т.; Лю, XM (2003). «Характеристика хорошо кристаллизованных графитовых нанокристаллитов нитрида углерода бензольно-термическим способом при низких температурах». Письма по химической физике . 380 (1–2): 84–87. Бибкод : 2003CPL...380...84G . дои : 10.1016/j.cplett.2003.09.009 .
^ Данте, RC; Мартин-Рамос, П.; Корреа-Гимараеш, А.; Мартин-Хиль, Дж. (2011). «Синтез графитового нитрида углерода реакцией меламина и мочевой кислоты». Химия и физика материалов . 130 (3): 1094–1102. doi : 10.1016/j.matchemphys.2011.08.041 .
^ «Никанит, графитовый нитрид углерода» . Карбодеон.
^ Наир, Асалата А.С.; Сундара, Рамапрабху; Анита, Н. (2 марта 2015 г.). «Характеристики хранения водорода наночастиц палладия, декорированных графитовым нитридом углерода». Международный журнал водородной энергетики . 40 (8): 3259–3267. doi : 10.1016/j.ijhydene.2014.12.065 .
^ Наир, Асалата А.С.; Сундара, Рамапрабху (12 мая 2016 г.). «Наночастицы катализатора из сплава палладия и кобальта способствуют повышению эффективности хранения водорода в графитовом нитриде углерода». Журнал физической химии C. 120 (18): 9612–9618. дои : 10.1021/acs.jpcc.6b01850 .
^ Ван, Синьчэнь; Маэда, Кадзухико; Томас, Арне; Таканабе, Казухиро; Синь, Банда; Карлссон, Йохан М.; Домен, Казунари; Антониетти, Маркус (2009). «Безметалловый полимерный фотокатализатор для получения водорода из воды в видимом свете». Природные материалы . 8 (1): 76–80. Бибкод : 2009NatMa...8...76W . дои : 10.1038/nmat2317 . ПМИД 18997776 . S2CID 205402078 .
^ Jump up to: ^а ^б Мансор, Норамалина; Миллер, Томас С.; Дедигама, Ишанка; Хорхе, Ана Белен; Цзя, Цзинцзин; Браздова, Вероника; Мэтью, Сесилия; Гиббс, Крис; Ходжсон, Дэвид (2016). «Графитовый нитрид углерода как носитель катализатора в топливных элементах и электролизерах» . Электрохимия Акта . 222 : 44–57. дои : 10.1016/j.electacta.2016.11.008 . hdl : 10044/1/42293 .
^ Томас, Арне; Фишер, Анна; Геттманн, Фредерик; Антониетти, Маркус; Мюллер, Йенс-Оливер; Шлёгль, Роберт; Карлссон, Йохан М. (14 октября 2008 г.). «Графитовые нитридуглеродные материалы: 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 . S2CID 53124927 .
^ Ню П., Чжан Л.Л., Лю Г., Ченг Х.М. и др. Графеноподобные нанолисты нитрида углерода для улучшения фотокаталитической активности[J]. Усовершенствованные функциональные материалы, 2012, 22(22): 4763-4770.
^ Чжан LQ, Хэ X, Сюй XW и др. Высокоактивный фотокатализатор TiO2/g-C3N4/G с расширенным спектральным откликом в отношении селективного восстановления нитробензола[J]. Прикладной катализ Б: Экологический. 2017, 203:65-71.
^ Донг Ф., Ли Ю.Х., Ван З.Ю., Хо В.К. и др. Повышенная фотокаталитическая активность в видимом свете и способность к окислению пористых графеноподобных нанолистов g-C3N4 посредством термического отшелушивания [J]. Прикладная наука о поверхности, 2015, 358: 393–403.
^ Мишра АК, Мамба Г и др. Графические нанокомпозиты из нитрида углерода: новое и захватывающее поколение фотокатализаторов, управляемых видимым светом, для устранения загрязнения окружающей среды [J]. Прикладной катализ Б, 2016, 21: 351-371.
^ Ву, Мэнхао; 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 .

[r1-1] Jump up to: ^а ^б Чен, Сюфан; Чжан, Лиган; Чжан, Бо; Го, Синцуй; Му, Синьдун (2016). «Высокоселективное гидрирование фурфурола в фурфуриловый спирт на наночастицах Pt, нанесенных на нанолистовые катализаторы gC ₃ N ₄ в воде» . Научные отчеты . 6 : 28558. Бибкод : 2016NatSR...628558C . дои : 10.1038/srep28558 . ПМЦ 4916514 . ПМИД 27328834 .

[Thomas-2] Jump up to: ^а ^б Томас, А .; Фишер, А.; Геттманн, Ф.; Антониетти, М.; Мюллер, Ж.-О.; Шлёгль, Р.; 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 . S2CID 53124927 .

[3] Ли, К.; Цао, К.; Чжу Х. (2003). «Получение графитового нитрида углерода электроосаждением». Китайский научный бюллетень . 48 (16): 1737–1740. Бибкод : 2003ЧСБу..48.1737Л . дои : 10.1360/03wb0011 . S2CID 198138645 .

[Guo-4] Jump up to: ^а ^б Го, QX; Се, Ю.; Ван, XJ; Льв, СК; Хоу, Т.; Лю, XM (2003). «Характеристика хорошо кристаллизованных графитовых нанокристаллитов нитрида углерода бензольно-термическим способом при низких температурах». Письма по химической физике . 380 (1–2): 84–87. Бибкод : 2003CPL...380...84G . дои : 10.1016/j.cplett.2003.09.009 .

[5] Данте, RC; Мартин-Рамос, П.; Корреа-Гимараеш, А.; Мартин-Хиль, Дж. (2011). «Синтез графитового нитрида углерода реакцией меламина и мочевой кислоты». Химия и физика материалов . 130 (3): 1094–1102. doi : 10.1016/j.matchemphys.2011.08.041 .

[6] «Никанит, графитовый нитрид углерода» . Карбодеон.

[7] Наир, Асалата А.С.; Сундара, Рамапрабху; Анита, Н. (2 марта 2015 г.). «Характеристики хранения водорода наночастиц палладия, декорированных графитовым нитридом углерода». Международный журнал водородной энергетики . 40 (8): 3259–3267. doi : 10.1016/j.ijhydene.2014.12.065 .

[8] Наир, Асалата А.С.; Сундара, Рамапрабху (12 мая 2016 г.). «Наночастицы катализатора из сплава палладия и кобальта способствуют повышению эффективности 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; Таканабе, Казухиро; Синь, Банда; Карлссон, Йохан М.; Домен, Казунари; Антониетти, Маркус (2009). «Безметалловый полимерный фотокатализатор для получения водорода из воды в видимом свете». Природные материалы . 8 (1): 76–80. Бибкод : 2009NatMa...8...76W . дои : 10.1038/nmat2317 . ПМИД 18997776 . S2CID 205402078 .

[:0-10] Jump up to: ^а ^б Мансор, Норамалина; Миллер, Томас С.; Дедигама, Ишанка; Хорхе, Ана Белен; Цзя, Цзинцзин; Браздова, Вероника; Мэтью, Сесилия; Гиббс, Крис; Ходжсон, Дэвид (2016). «Графитовый нитрид углерода как носитель катализатора в топливных элементах и электролизерах» . Электрохимия Акта . 222 : 44–57. дои : 10.1016/j.electacta.2016.11.008 . hdl : 10044/1/42293 .

[11] Томас, Арне; Фишер, Анна; Геттманн, Фредерик; Антониетти, Маркус; Мюллер, Йенс-Оливер; Шлёгль, Роберт; Карлссон, Йохан М. (14 октября 2008 г.). «Графитовые нитридуглеродные материалы: 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 . S2CID 53124927 .

[12] Ню П., Чжан Л.Л., Лю Г., Ченг Х.М. и др. Графеноподобные нанолисты нитрида углерода для улучшения фотокаталитической активности[J]. Усовершенствованные функциональные материалы, 2012, 22(22): 4763-4770.

[13] Чжан LQ, Хэ X, Сюй XW и др. Высокоактивный фотокатализатор TiO2/g-C3N4/G с расширенным спектральным откликом в отношении селективного восстановления нитробензола[J]. Прикладной катализ Б: Экологический. 2017, 203:65-71.

[14] Донг Ф., Ли Ю.Х., Ван З.Ю., Хо В.К. и др. Повышенная фотокаталитическая активность в видимом свете и способность к окислению пористых графеноподобных нанолистов g-C3N4 посредством термического отшелушивания [J]. Прикладная наука о поверхности, 2015, 358: 393–403.

[15] Мишра АК, Мамба Г и др. Графические нанокомпозиты из нитрида углерода: новое и захватывающее поколение фотокатализаторов, управляемых видимым светом, для устранения загрязнения окружающей среды [J]. Прикладной катализ Б, 2016, 21: 351-371.

[16] Ву, Мэнхао; 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 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]