Grafisk kolnitrid

Jämförelse av bulk gC ₃ N ₄ (vänster) och nanosheet gC ₃ N ₄ pulver, 100 mg vardera.

Grafisk kolnitrid (gC ₃ N ₄ ) är en familj av kolnitridföreningar med en allmän formel nära C ₃ N ₄ (om än vanligtvis med icke-noll mängder väte) och två huvudsubstrukturer baserade på heptazin och poly(triazinimid) enheter som, beroende på reaktionsförhållanden, uppvisar olika grader av kondensation , egenskaper och reaktiviteter .

Förberedelse

Grafisk kolnitrid kan framställas genom polymerisation av cyanamid , dicyandiamid eller melamin . Den först bildade polymera C3N4- _strukturen , melon , med vidhängande aminogrupper , är _en högordnad polymer . Ytterligare reaktion leder _till mer kondenserade och mindre defekta C3N4- _arter , baserade på tri-s-triazinenheter (C6N7 ) _som elementära byggstenar _.

Grafisk kolnitrid kan också framställas genom elektroavsättning på Si (100)-substrat från en mättad acetonlösning av cyanurtriklorid och melamin (förhållande =1:1,5) vid rumstemperatur.

Välkristalliserade nanokristalliter av grafitkolnitrid kan också framställas via bensen-termisk reaktion mellan C ₃ N ₃ Cl ₃ och NaNH ₂ vid 180–220 °C under 8–12 timmar.

Nyligen har en ny metod för syntes av grafitkolnitrider genom upphettning vid 400-600 °C av en blandning av melamin och urinsyra i närvaro av aluminiumoxid rapporterats. Aluminiumoxid gynnade avsättningen av de grafitiska kolnitridskikten på den exponerade ytan. Denna metod kan assimileras med en in situ kemisk ångdeposition (CVD).

Karakterisering

Karakterisering av kristallin gC ₃ N ₄ kan utföras genom att identifiera triazinringen som finns i produkterna genom röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) mätningar, fotoluminescensspektra och Fourier transform infraröd spektroskopi (FTIR) spektrum (toppar vid 800 cm ⁻¹ , 1310 cm ⁻¹ och 1610 cm ⁻¹ ).

Egenskaper

På grund av de speciella halvledaregenskaperna hos kolnitrider visar de oväntad katalytisk aktivitet för en mängd olika reaktioner, såsom för aktivering av bensen , trimeriseringsreaktioner och även aktivering av koldioxid ( konstgjord fotosyntes ).

Används

En kommersiell grafitkolnitrid är tillgänglig under varumärket Nicanite. I sin grafitform i mikronstorlek kan den användas för tribologiska beläggningar, biokompatibla medicinska beläggningar, kemiskt inerta beläggningar, isolatorer och för energilagringslösningar . Grafisk kolnitrid rapporteras som ett av de bästa vätelagringsmaterialen. Den kan också användas som stöd för katalytiska nanopartiklar .

Intressanta områden

På grund av deras egenskaper (främst stora, avstämbara bandgap och effektiv interkalering av salter) är grafitkolnitrider under forskning för en mängd olika tillämpningar:

• Fotokatalysatorer
  • Nedbrytning av vatten till H ₂ och O ₂
  • Nedbrytning av föroreningar
• Halvledare med stort bandgap
• Heterogen katalysator och stöd
  • Den betydande motståndskraften hos kolnitrider i kombination med yt- och intralagerreaktiviteter gör dem till potentiellt användbara katalysatorer som förlitar sig på deras labila protoner och Lewis-basfunktioner. Modifieringar som dopning, protonering och molekylär funktionalisering kan utnyttjas för att förbättra selektivitet och prestanda.
  • Nanopartikelkatalysatorer som stöds på gCN är under utveckling för både protonbytesmembranbränsleceller och vattenelektrolysatorer .
  • Trots att grafitkolnitrid har vissa fördelar, såsom milt bandgap (2,7 eV), absorption av synligt ljus och flexibilitet, har det fortfarande begränsningar för praktiska tillämpningar på grund av låg effektivitet av synligt ljusanvändning, hög rekombinationshastighet för de fotogenererade laddningsbärarna , låg elektrisk ledningsförmåga och liten specifik yta (<10 m ² g ⁻¹ ). För att modifiera dessa brister är en av de mest attraktiva metoderna att dopa grafitkolnitrid med kolnanomaterial, såsom kolnanorör. För det första har kolnanorör stor specifik yta, så de kan ge fler platser för att separera laddningsbärarna, sedan minska rekombinationshastigheten för laddningsbärarna och ytterligare öka aktiviteten av reduktionsreaktionen. För det andra uppvisar kolnanorör hög elektronledningsförmåga, vilket innebär att de kan förbättra grafitisk kolnitrid med synligt ljussvar, effektiv laddningsbärares separation och överföring, och därigenom förbättra dess elektroniska egenskaper. För det tredje kan kolnanorör betraktas som ett slags smalbandigt halvledarmaterial, även känt som en fotosensibilisator, som kan utöka ljusabsorptionsområdet för fotokatalytiskt halvledarmaterial och därigenom förbättra dess utnyttjande av synligt ljus.
• Energilagringsmaterial
  • På grund av att interkalering av Li kan förekomma på fler platser än för grafit på grund av tomrum i lagret förutom interkalering mellan lager, kan gCN lagra en stor mängd Li vilket gör dem potentiellt användbara för uppladdningsbara batterier .

Se även

• Beta kolnitrid