Mini revisão sobre a estrutura e propriedades (fotocatálise) e técnicas de preparação de partícula nano-baseada em nitreto de carbono grafítico e suas aplicações

Resumo

Nitreto de carbono grafite (g-C ₃ N ₄ ) é bem conhecido como um dos materiais mais promissores para atividades fotocatalíticas, como CO ₂ redução e fracionamento de água e remediação ambiental por meio da remoção de poluentes orgânicos. Por outro lado, o nitreto de carbono também apresenta excelentes propriedades e extensas previsões de aplicação no aspecto das propriedades de emissão de campo. Nesta mini revisão, a nova estrutura, síntese e técnicas de preparação de g-C encorpado ₃ N ₄ à base de compostos e filmes foram revelados. Esta mini revisão discutiu o avanço contemporâneo na estrutura, síntese e diversos métodos usados para preparar g-C ₃ N ₄ materiais nanoestruturados. O presente estudo dá conta do conhecimento completo do uso das propriedades e estruturas excepcionais, e das técnicas de preparação de nitreto de carbono de grafite (g-C ₃ N ₄ ) e suas aplicações.

Introdução

A fonte de energia central exultou do espaço extraterrestre, as capacidades de energia solar para superar a demanda de energia do mundo do almanaque por uma grande fronteira [1]. Dada a longa previsão da era do Sol, a energia solar também é considerada a fonte renovável final que pode ser colhida no planeta Terra [2, 3]. A natureza interminável e descontínua desta fonte de energia, no entanto, apresenta desafios importantes nas relações de colheita, armazenamento e utilização [4]. No momento, existem algumas tecnologias em vigor que podem ser usadas para enfrentá-los. A energia solar pode ser recolhida, transformada e mantida de forma flexível na forma de calor, que pode distribuir calor para a residência ou ser posteriormente convertida em eletricidade, bem como em outras formas de energia [5]. As tecnologias mais inovadoras investigadas quanto à obtenção de fótons solares podem ser aquelas por fotocatálise, conforme descrito por Edmond Becquerel, 1839 [5].

Predominantemente, as águas residuais são a principal fonte de poluição, especificamente, as águas residuais produzidas devido à industrialização química, porque estas águas residuais contêm uma concentração pronunciada de grandes fragmentos orgânicos que são tremendamente tóxicos e cancerígenos por natureza [3]. Anteriormente, a tecnologia de remediação ambiental (que compreende adsorção, oxidação biológica, oxidação química e incineração) foi usada no tratamento de todos os tipos de águas residuais orgânicas e tóxicas e também tem sua aplicação efetiva na utilização de energia solar, tratamento ambiental e aplicações biomédicas e de detecção. Fujishima e Honda revelaram o conhecimento excepcional sobre a divisão fotoquímica da água em hidrogênio e oxigênio na presença de TiO ₂ em 1972; interesse de pesquisa tem sido focado em fotocatálise heterogênea [3,4,5]. A aceleração da fotorreação na existência de um catalisador é descrita como fotocatálise. A reação de fotocatálise é mais conhecida por ser realizada em meios como fase gasosa, fases orgânicas líquidas puras ou soluções aquosas. Além disso, na maioria dos métodos de degradação química, a degradação fotocatalítica em relação aos fótons e um catalisador é frequentemente identificada como a melhor no controle de águas residuais orgânicas, utilização de energia solar, tratamento ambiental e aplicações biomédicas e de detecção [3, 5]. Conseqüentemente, a tecnologia de ponta usada para o tratamento de águas residuais orgânicas e aplicações relacionadas é atribuída aos fotocatalisadores movidos à luz solar em evolução [3].

Fotocatalisadores semicondutores podem ser usados para a remoção de concentrações ambientais de espécies orgânicas e inorgânicas de sistemas aquosos ou de fase gasosa no tratamento de água potável, limpeza ambiental e aplicações industriais e de saúde. Isso se deve à enorme capacidade desses semicondutores (g-C ₃ N _4, TiO ₂ - e ZnO) para oxidar substratos orgânicos e inorgânicos no ar e na água por meio de processos redox para sua aplicação efetiva na utilização de energia solar, águas residuais e tratamento ambiental, aplicações biomédicas e de detecção sem qualquer segunda poluição.

Nitreto de carbono grafítico polimérico (g-C ₃ N ₄ ) tornou-se o principal centro de consideração na pesquisa de fotocatálise [6]. g-C ₃ N ₄ é um elemento de resposta à luz visível com gap de 2,7 eV, e a localização da energia de CB e VB está em -1,1 e 1,6 eV via eletrodo de hidrogênio normal, respectivamente [Wang et al. 2009]. Além disso, g-C ₃ N ₄ tem a capacidade de resistir a ataques de calor, ácido forte e solução alcalina forte [7]. g-C ₃ N ₄ tem uma capacidade única de ser simplesmente preparado por policondensação térmica dos precursores ricos em N baratos, como dicianamida, cianamida, melamina, cianurato de melamina e ureia, e isso é diferente de outros fotocatalisadores contendo metal que requerem sais de metal caros para a preparação [ 6, 8]. Condensação térmica, solvotérmica, deposição química de vapor, assistida por micro-ondas, polimerização e síntese hidrotérmica são exemplos de estratégias preparativas (Tabela 2) que têm sido aplicadas com louvor na preparação de nitreto de carbono para fins distintos e análises na área de fotocatálise e outros [9].

Devido a essas excelentes propriedades de g-C ₃ N ₄ , o uso deste promissor g-C ₃ N ₄ na divisão da água, CO ₂ foto-redução, purificação de contaminantes orgânicos, síntese orgânica catalítica e células a combustível são mais eficientes e eficazes [6]. O número de pesquisas e análises admiráveis sobre g-C ₃ N ₄ estrutura e preparação nos últimos anos aumentou tremendamente [10]. Os autores enfatizaram principalmente os avanços mais contemporâneos na estrutura, síntese e técnicas de preparação de g-C ₃ N ₄ e nitreto de carbono (CN _x ) filmes vividamente nesta mini revisão concisa. A estrutura única e as novas técnicas de síntese e preparação de g-C ₃ N ₄ e CN _X os filmes são bem apresentados e os conceitos esclarecidos sobre como estender a preparação de g-C ₃ N ₄ nesta mini revisão são então enfatizados. Além disso, os autores discutiram os aplicativos em g-C ₃ N ₄ , e as perspectivas em pesquisas futuras também foram defendidas.

Revisão

Nitreto de carbono grafítico e fotocatálise

A fotocatálise é melhor referida à aceleração das conversões químicas (oxidações e reduções) ocasionadas pela ativação de um catalisador. Esta reação envolve um semicondutor sozinho ou em combinação com promotores metálicos / orgânicos / organometálicos, por absorção de luz, após transferência de carga ou energia a ser adsorvida que pode levar à transformação fotocatalítica de um poluente. Durante um mecanismo de fotocatálise, há uma ocorrência simultânea de pelo menos duas ações principais que auxiliam na produção bem-sucedida de espécies oxidantes reativas (Fig. 2). Estas reações são oxidação de H ₂ dissociativamente adsorvido O gerado principalmente por buracos fotogerados e redução de um aceptor de elétrons também criado por elétrons fotoexcitados (Fig. 2). Conseqüentemente, essas reações produzem um ânion radical hidroxila e superóxido, respectivamente [11]. Durante a reação de fotocatálise, é óbvio que há geração assistida por fótons de espécies cataliticamente ativas ao invés da ação da luz como um catalisador em uma reação [12,13,14,15,16]. Consideravelmente, a colheita de luz visível, principalmente da luz solar, por catalisador (fotocatalisador) para iniciar transformações químicas (Fig. 1) é descrito como fotocatálise. Aplicação de C ₃ N ₄ fotocatalisador para tratamento de águas residuais, utilização de energia solar, tratamento ambiental e aplicações biomédicas e de detecção tem sido discutido em muitas áreas da ciência.

Iluminação de um catalisador semicondutor, como TiO ₂ , ZnO, ZrO ₂ e CeO ₂ , com fótons carregando energia igual ou superior ao seu gap, criando um par de lacunas de elétrons semelhante à transferência de elétrons foto-induzida e a absorção de luz promove um elétron para a banda de condução. O óxido pode transferir seu elétron (Fig. 2) para qualquer aceptor de elétrons adsorvido (promovendo assim sua redução), enquanto o buraco (ou a vacância do elétron) pode aceitar um elétron de um doador adsorvido (promovendo sua oxidação). g-C ₃ N ₄ é capaz de catalisar a evolução de hidrogênio / oxigênio e CO ₂ redução sob excitação de gap e na presença de cocatalisadores e / ou agentes sacrificiais adequados.

Partícula Nano-Baseada em Nitreto de Carbono Grafítico

Materiais com nanoestruturas 1D com propriedades eletrônicas, químicas e ópticas distintas podem ter seu tamanho e morfologia ajustados. Esta capacidade dos materiais nanoestruturados 1D levou a um novo avanço de diversas abordagens para melhorar sua atividade fotocatalítica [17]. Além disso, há orientação do movimento do elétron na direção axial e confinamento lateral dos elétrons por essas nanoestruturas 1D. Houve avanço de materiais 2D de grafeno para nanofolhas de óxido de metal e calcogeneto de metal e, em seguida, para estruturas orgânicas covalentes 2D (g-C3N4).

Os meios apropriados de seleção de precursores e métodos de condensação levaram a dois tipos principais de g-C ₃ N ₄ polimorfos estruturais e isso inclui, em primeiro lugar, o g-C ₃ N ₄ consistem em unidades de s-triazina condensadas (anel de C ₃ N ₃ ) com uma série periódica de vagas de carbono único. O segundo tipo de g-C ₃ N ₄ consiste na tri-s-triazina condensada (tri-anel de C ₆ N ₇ ) subunidades acopladas através de grupos amino terciários planares, e isso tem maiores vacâncias periódicas na rede. O g-C ₃ N ₄ redes consistem principalmente de segmentos à base de melão (a estrutura do segundo tipo; isto consiste na unidade tri-s-triazina, Fig. 3a) que é termodinamicamente mais estável em comparação com os arranjos à base de melamina (a estrutura do primeiro tipo; esta composta por a s-triazina, Fig. 3b) conforme descrito pelos cálculos da teoria funcional (DFT) [18]. Portanto, acredita-se amplamente que o núcleo tri-s-triazina é os blocos de construção fundamentais para a formação do g-C ₃ N ₄ rede.

Estrutura da partícula nano-baseada em nitreto de carbono grafítico

g-C ₃ N ₄ são uma classe de materiais poliméricos bidimensionais (2D) compostos inteiramente por ligações covalentes, sp ₂ átomos de carbono e nitrogênio hibridizados. Carbono e nitrogênio têm a distinção de vários estados de valência formando ligações; portanto, em g-C ₃ N ₄ , existem diversas estruturas de ligação de valência. Trabalhos de pesquisa iniciaram que alguns C ₃ N ₄ estruturas defeituosas e estruturas amorfas de g-C ₃ N ₄ ainda são as estruturas metaestáveis, mas com o aumento da vacância N, esses dois tipos de configuração de g-C ₃ N ₄ o material geralmente diminui no módulo em massa. As características estruturais, composição de materiais e cristalinidade de g-C ₃ N ₄ pode ser caracterizado e avaliado por técnicas de XRD, XPS e Raman. Em 1830, Berzelius descreveu a fórmula geral (C ₃ N ₃ H) ne Liebig também criaram a notação “melão”, e essas previsões levaram a mais pesquisas focadas em oligômeros e polímeros de nitreto de carbono [19, 20]. Além disso, essas estruturas cristalinas foram encontradas e declaradas em experimentos [21,22,23]. O α-C ₃ N ₄ foi encontrado anteriormente por Yu e colegas de trabalho [24]. Uma estrutura 2D carregada semelhante a grafite do grafite C ₃ N ₄ é geralmente observada como estrutura de grafite substituída por heteroátomo de nitrogênio, que inclui principalmente planos grafíticos p-conjugados, e é com sp ² hibridização de átomos de carbono e nitrogênio. O grafite cristalino é 3% menos denso que o g-C ₃ N ₄ . Mudar a localização dos elétrons e, em seguida, consolidar as ligações que estão entre as camadas devido à substituição do heteroátomo de nitrogênio pode ajudar a esclarecer a distância intercamada de g-C ₃ N ₄ [25].

Estrutura eletrônica e propriedades de g-C ₃ N ₄

Atualmente, g-C3N4 é considerado um fotocatalisador de nova geração para recuperar a atividade fotocatalítica de fotocatalisadores tradicionais como TiO ₂ , ZnO e WO3. presume-se que g-C3N4 tenha uma estrutura semelhante a grafite [26,27,28, 29, 30]. O método de policondensação térmica é geralmente usado para preparar g-C3N4 e, portanto, para investigar a estrutura eletrônica de g-C3N4.

O α-C ₃ N ₄ foi encontrado anteriormente por Yu e colegas de trabalho [24]. Esses cientistas usaram o procedimento de cálculo do modelo de clusters da mecânica quântica e desenvolveram α-C ₃ N ₄ pela otimização da estrutura eletrônica do g-C ₃ N ₄ para fotocatálise e outros. Na estrutura de alfa-C ₃ N ₄ , Átomos de C e N ligados por sp ³ A chave foi projetar a estrutura do tetraedro do g-C3N4. Liu e Cohen anteciparam a existência de beta-C ₃ N ₄ por meio do conceito de banda de primeiros princípios e beta-C preparado ₃ N ₄ com base em β -Si ₃ N ₄ estrutura eletrônica. Liu e Cohen então revelaram que a estrutura de β -C ₃ N ₄ era hexagonal compreendendo 14 átomos para cada célula unitária.

A excelente previsão antecipada por Liu e Cohen em 1989 de que o b-polimorfo C ₃ N ₄ teria valores de dureza excepcionalmente elevados em comparação com o diamante que entusiasmou a pesquisa científica até o momento [26]. Em 1993, C ₃ N ₄ filmes finos via magnetron snorting de um alvo de grafite em substratos de Si (100) e Zr policristalino sob um ambiente de nitrogênio puro e consideração da estrutura de C ₃ N ₄ com microscopia eletrônica analítica e espectroscopia Raman foram sintetizados por Chen e co-autores [27, 31]. Cientistas, Teter e Hemley [28], predisseram que alfa-C ₃ N ₄ , beta-C ₃ N ₄ , cubic-C ₃ N ₄ , pseudo cúbico-C ₃ N ₄ , e grafite C ₃ N ₄ mostram dureza pronunciada que se aproxima daquela do diamante em seu experimento que eles realizaram 3 anos depois, conforme já descrito de acordo com os cálculos do primeiro princípio da estabilidade relativa, estrutura e propriedades físicas dos polimorfos de nitreto de carbono.

Wang e colaboradores [26, 32] aplicaram pesquisas de estrutura de algoritmo evolucionário ab initio para calcular a estrutura precisa de g-C3N4 preparada por policondensação térmica e métodos de síntese de fusão de sal para uma fotocatálise melhorada responsiva à luz visível. A estrutura mais estável 1–3 foi prevista para g-C3N4 à base de heptazina. A ordem de estabilidade da fase foi 1> 2> 3. Ao contrário de outras estruturas em camadas, as fases distorcidas no g-C3N4 à base de heptazina (ver Fig. 3) foram as mais estáveis. Esta estrutura contribui para o aumento da atividade fotocatalítica da promessa. No g-C3N4, os pares de elétrons do nitrogênio são os principais responsáveis pela estrutura da banda e pelo desenvolvimento da banda de valência.

Preparação de partícula nano-baseada em nitreto de carbono grafítico

Síntese

A interessante natureza tribológica e eletrônica dos nitretos de carbono grafítico torna possível desenvolver um método para depositar camadas de nitretos de carbono grafítico de forma controlada; portanto, nitreto de grafeno pode ser obtido. Consideravelmente, a partícula de referência para comparação é o volumoso g-C3N4. Esta partícula pode ser melhor alcançada usando a seleção de precursores ricos em nitrogênio sem ligação C – C direta, como cianamida, dicianodiamida, melamina, tioureia, ureia ou misturas por meio de vários métodos preparativos (Tabelas 1, 2 e 3), para instantânea, condensação térmica [33]. Os materiais de nitreto de carbono são principalmente recursos em massa com pequena área de superfície, geralmente menos de 10 m ² g ⁻¹ quando eles são preparados ou sintetizados por condensação direta dos precursores orgânicos contendo nitrogênio [34].

A estrutura mesoporosa, quando mineralizada e a área de superfície específica amplificada, ajuda a ajustar as propriedades físico-químicas e, em seguida, aumenta o desempenho fotocatalítico do nitreto de carbono da grafite (g-C ₃ N ₄ ) A nanoformação / replicação de matrizes de sílica mesoporosa é o primeiro método usado para preparar nitreto de carbono de grafite (g-C ₃ N ₄ ), estes eram famosos por sua coorte de nanoestruturas de carbono correspondentes [35]. Grandes esforços foram então colocados em prática para trazer mais esquemas inovadores para g-C ₃ N ₄ modificação, que foi entusiasta pelo método do modelo rígido (Tabela 1). Liu e Cohen então descobriram a (Tabela 1) técnica de template suave [26], e a outra g-C ₃ N ₄ esquemas de modificação como impregnação de solução ácida, método de dispersão ultrassônica e funcionalização química [26] também foram descobertos. Esses métodos, conforme descrito acima, eram bons sinais do princípio na modificação das propriedades químicas da superfície e da textura de g-C ₃ N ₄ , sozinho com seus potenciais eletrônicos.

Tratamentos térmicos, como deposição física de vapor (PVD) [36], deposição química de vapor (CVD) [37], método solvotérmico [38] e reação de estado sólido [38], são usados para polimerizar ricos em nitrogênio e oxigênio. - precursores de compostos livres que compreendem estruturas centrais C – N pré-ligadas (derivados de triazina e heptazina) e servem como técnicas básicas para nitreto de carbono grafite (gC ₃ N ₄ ) síntese. Os precursores comumente usados para a preparação de nitreto de carbono grafite (g-C ₃ N ₄ ) através da polimerização incluem cianamida [39], dicianodiamida [40], melamina [41], ureia [42], tioureia [43], cloreto de guanidínio [44] e tiocianato de guanidina [45]. O uso de elementos realizados diretamente é realmente desafiador em muitas áreas; isso se deve à fraca dispersidade e à natureza comum da massa g-C ₃ N ₄ . O uso de amplas micro / nanoestruturas e morfologias para preparar diferentes tipos de g-C ₃ N ₄ tem sido intensamente pesquisado por cientistas nos últimos anos em estudos de fotocatálise. Por exemplo, ultrafino g-C ₃ N ₄ nanofolhas que foram preparadas esfoliando g-C em massa ₃ N ₄ materiais [46,47,48] tinham carga negativa e podiam ser bem dispersos em água.

Esfoliação de oxidação térmica, esfoliação ultrassônica e esfoliação química são bem conhecidos como os principais métodos de esfoliação usados para preparar g-C ₃ N ₄ materiais. Meso-g-C ₃ N ₄ os materiais têm grandes desempenhos, como grande atividade fotocatalítica devido à sua maior área de superfície específica (até 830 m ² g ⁻¹ ) e porosidade maior (até 1,25 cm ³ g ⁻¹ ); além disso, o maior número de sítios ativos presentes na superfície e a maior seletividade de tamanho ou forma aumentam seus desempenhos excelentes. Os caminhos mais essenciais para a preparação de meso-g-C ₃ N ₄ incluem os métodos soft templating (automontagem) [49, 50] e hard templating (nano-casting) [51] (Tabela 1 e Fig. 4). Tamanhos menores, popularmente conhecidos como g-C ₃ N ₄ pontos quânticos (QDs), foram usados por muitos cientistas pesquisadores em suas pesquisas para a síntese de g-C ₃ N ₄ [52,53,54,55]. Duas abordagens principais para sintetizar g-C 2D ₃ N ₄ nanofolhas são delaminação de g-C em camadas ₃ N ₄ sólidos em nanofolhas autônomas principalmente conhecidas como estratégia de cima para baixo (Fig. 5) e a montagem anisotrópica de moléculas orgânicas em uma maneira 2D (Fig. 6), também chamada de estratégia de baixo para cima. [56] Notavelmente para a estrutura química diversa e estrutura de banda eletrônica das nanofolhas CN, as nanofolhas CN preparadas revelaram uma resposta de emissão de eletroquimioluminescência (ECL) única para vários íons metálicos. Devido a isso, houve um desenvolvimento bem-sucedido do sensor ECL com detecção rápida de vários íons metálicos.

Técnicas usadas na preparação de partículas nanométricas de nitreto de carbono grafítico

O estudo sobre a síntese de nitreto de carbono (g-C ₃ N ₄ e CN x ) tem entusiasmado a curiosidade de pesquisadores de todo o mundo. g-C ₃ N ₄ e filmes com propriedades fotocatalíticas precisas foram sintetizados [57, 58]. Condensação térmica, solvotérmica, deposição química de vapor, auxiliado por microondas, polimerização e síntese hidrotérmica abordadas são métodos (Tabela 2) que têm sido efetivamente utilizados na preparação de nitreto de carbono para diferentes fins e análises na área de fotocatálise e outros [9 ]

Métodos de tratamento térmico e solvotérmico

Com base na reação de policondensação entre melamina e cloreto cianúrico na presença de pó de níquel, Li e a equipe de pesquisa [41] propuseram dois métodos principais para a síntese de nitretos de carbono grafítico ricos em nitrogênio. Esses dois métodos foram métodos solvotérmicos usando benzeno como solvente e forma de reação sólida livre de solvente com tratamento térmico (Fig. 7). Outros trabalhos de muitos cientistas [59,60,61,62, 63] sugeriram que as reações solvotérmicas geralmente produzem cristalino após a lavagem e secagem, e não requerem tratamento pós-recozimento. Esses cientistas também propuseram atividades fotocatalíticas aprimoradas com este método (Fig. 8).

Niu e cia. também relataram as mudanças morfológicas quando a técnica solvotérmica foi usada [64]. Loumagne e colaboradores [65] testemunharam as posses físico-químicas de depósitos à base de SiC, obtidos por meio da decomposição térmica de CH3SiCl3 em hidrogênio. Kelly e o grupo [66] relataram a síntese de TaC usando reagentes cloreto de tântalo (V) e carbono misturados sob uma caixa de luvas cheia de argônio por meio do processo térmico. Sucessivamente, o método de condensação térmica, que consiste principalmente no sistema de heptazina aromática conjugada com características de montagem grafítica, foi usado vários momentos para preparar g-C ₃ N ₄ [36]. O uso da técnica solvotérmica para g-C ₃ N ₄ a síntese possui grandes remunerações como formação de partículas finas e uniformes, baixo consumo de energia e maior viabilidade econômica se comparada ao desatualizado método de condensação térmica. Por outro lado, esses métodos ainda são demorados, exigindo, em certa medida, algumas horas para completar a formação e cristalização das partículas.

Deposição química de vapor

A investigação de Roberto e colaboradores [60] sugeriu que o uso de deposição química de vapor (CVD) para a síntese de nitreto de carbono grafítico pela reação entre melamina e ácido úrico tem alta atividade fotocatalítica. Verificou-se que o nitreto de carbono grafítico formado apresentava uma estrutura baseada em blocos de heptazina.

Roberto e colegas de trabalho então propuseram que a natureza desses nitretos de carbono revelava uma forma irregular (Fig. 7), cristalinidade e uma textura nanométrica. Kelly et al. [66] relatou a síntese de TaC usando reagentes cloreto de tântalo (V) e carbono misturados sob uma caixa de luvas cheia de argônio por meio de técnica térmica e posteriormente transformados em nanopartículas de TaC por meio de técnica química. O CVD é um dos métodos mais úteis para preparar grafeno monocamada de alta qualidade estrutural para uso em diferentes dispositivos para atividades catalíticas [67]. Wang e o grupo [26, 32] obtiveram filmes de CN 푥 em substrato de Ni usando primeiramente o método HFCVD. Como a preparação desses filmes tem maior probabilidade de produzir ligações C – H e N – H sob as condições CVD, a maioria dos filmes CN 푥 são amorfos. A partir de estudos anteriores, procedimentos CVD são usados para preparar nitretos de carbono, a escolha de materiais de substrato é muito crítica a ser considerada. Amostras de grandes áreas podem ser preparadas expondo um metal a diferentes precursores de hidrocarbonetos em altas temperaturas. Existem diferentes tipos de métodos de CVD disponíveis, como CVD aprimorado por plasma, CVD térmico e CVD de parede quente / fria. Os métodos CVD consistem principalmente em ressonância cíclotron de elétrons, assistida por filamento quente, descarga brilhante DC, descarga de radiofrequência e deposição química de vapor de plasma de micro-ondas. O viés de deposição química a vapor de filamento quente auxiliar (HFCVD) é uma das ferramentas locais utilizadas na deposição de filmes de diamante e outras. O mecanismo exato de formação do grafeno depende do substrato de crescimento, mas normalmente inicia com o crescimento de átomos de carbono que se nucleados no metal após a decomposição dos hidrocarbonetos, e os núcleos crescem então em grandes domínios [68]. Recentemente, o grafeno monocamada de alta qualidade produzido usando CVD de parede fria de aquecimento resistivo também foi 100 vezes mais rápido do que o CVD convencional.

Síntese Sol-Gel

A técnica de síntese de sol-gel é um processo pelo qual um produto sólido ou um nanomaterial é formado a partir de uma solução após a transformação do intermediário de gel. Nesse método de síntese, os reagentes são misturados em nível molecular, permitindo reações rápidas e levando a produtos mais homogêneos com maior área de superfície. Notavelmente, esta técnica tem sido usada para sintetizar diferentes tipos de nanopartículas, incluindo carboneto de metal e processos de nitreto para fotocatálise [69]. A síntese de nitreto de metal usando processos sol-gel pode ser rastreada até o uso de compostos orgânicos de metal (sintetizados a partir de elemento de metal e dialquilamina) [70].

Aquecimento por micro-ondas

Nos últimos tempos, o aquecimento por micro-ondas tem sido amplamente utilizado para a preparação de produtos químicos finos e farmacêuticos, em comparação com os métodos descritos acima, porque permite uma ampla faixa de reação e curto tempo de reação, que são apropriados para a produção em escala industrial [71]. Uma técnica simplória foi adotada por Wang e colegas de trabalho para sintetizar g-C ₃ N ₄ usando um precursor rico em nitrogênio barato / menos caro que pode então ser ativo como um fotocatalisador para a geração de H ₂ e O ₂ sob irradiação de luz visível para suas pesquisas. A radiação de micro-ondas acelera a reação química e diminui a energia consumida, consequentemente penetrando no vaso de reação e disponibilizando abertamente energia para os reagentes e solvente com uma grande taxa de transferência de calor. A técnica de aquecimento por micro-ondas é diferente das técnicas tradicionais, como banhos de óleo e câmaras de aquecimento; este método é mais eficaz e confiável. Radiação de micro-ondas, no que diz respeito ao calor solvotermicamente pressurizado e sistema de reação fechado, os reagentes podem ser reagidos e transformados em produtos muito mais rapidamente do que usando o método convencional. Dai e colegas de trabalho propuseram um processo econômico e que economiza tempo para a síntese de g-C ₃ N ₄ usando polimerização assistida por micro-ondas recentemente. Dai e colegas de trabalho descobriram que o g-C ₃ N ₄ amostra alcançada, mostrando submicrosferas e uma alta área de superfície de 90 m ² g ⁻¹ , (Fig. 9) e foi sintetizado com sucesso a 180 ° C sob condição de irradiação de microondas por apenas 30 min, o que revelou um desempenho fotocatalítico aprimorado [71]. Experimentos realizados por Hu e colegas de trabalho também revelaram que o g-C sintetizado por micro-ondas ₃ N ₄ possui boa estabilidade química e térmica e forte intensidade de emissão que o convencional [71]. Hu e colegas de trabalho também afirmaram que g-C sintetizado por micro-ondas ₃ N ₄ teve melhor desempenho na fotocatálise responsiva à luz visível.

Deposição física de vapor

Consiste em pulverização catódica de magnetron, deposição de feixe de íons (IBD), pulverização catódica de reação e deposição de laser pulsado e assim por diante. A pulverização catódica de reação é o método elementar para a preparação de compósitos. Quando esta técnica é usada para preparar g-C ₃ N ₄ , a fração de massa de nitrogênio é geralmente inferior a 40%. Por outro lado, para formar 훽 -C ₃ N ₄ , o sistema deve consistir em uma quantidade adequada de nitrogênio e a razão estequiométrica deve chegar a 57%. Niu e seu grupo [72] alcançaram o g-C ₃ N ₄ em substrato de silício usando alvo C de evaporação de laser de pulso, deposição auxiliar de nitrogênio do átomo. Niu et al. estudos descobriram que a quantidade de N atingiu 40% nos filmes e, em seguida, átomos de C, N combinados com ligação covalente apolar. Sucessivamente, Sharma et al. [73] e Zhang et al. [74] também fez alguns estudos críticos e, em seguida, obteve filmes CN 푥 por um método semelhante ao discutido. Mihailescu e colegas de trabalho [75] também usaram amônia em vez de N ₂ -filmes duros de CN 푥 fabricados com ligação simples de nitrogênio de carbono, ligação dupla e ligação tripla e, em seguida, descobriram que seu gap óptico é de 4,5 eV. A partir do estudo recente, o que os cientistas freqüentemente obtêm são filmes de mistura que compreendem várias fases do cristal.

Para considerar a eficácia do g-C preparado ₃ N ₄ , a evolução fotocatalítica do hidrogênio usando nitretos de carbono cristalinos (CNs) foi proposta por Takanabe e seu grupo [76]. Takanabe et al. nitretos de carbono adquiridos por agregação supramolecular (Tabela 3) que foi posteriormente monitorada por (Tabela 3) policondensação iônica por fusão (IMP) usando melamina e 2, 4, 6-triaminopirimidina como dopante. Existem outros poucos métodos semelhantes aos que Takanabe e seu grupo usaram em seu experimento, consulte a Tabela 3.

Aplicações de nitreto de carbono grafítico

Existem várias aplicações emergentes deste nitreto de carbono grafítico e tais aplicações incluem sensoriamento baseado, aplicações biomédicas, tratamento de águas residuais e ambiental, utilização de energia solar e sendo usado na fabricação de dispositivos.

Utilização de energia solar

Aumentar a atividade responsiva visível do nitreto de carbono não depende apenas do controle das estruturas das moléculas, da síntese e das técnicas de preparação do CN, mas também da capacidade de alterar as estruturas eletrônicas desses materiais. Normalmente, sob irradiações de luz visível, nitretos de carbono podem ser usados para produzir fotoeletrodo e, assim, gerar fotocorrente. Esta habilidade de g-C ₃ N ₄ é devido à natureza excepcional de protonação e desprotonação reversível. Uma das maiores abordagens é o uso de combustível solar de CO ₂ e água (produzida pela maioria dos fotocatalisadores) para produzir H ₂ , hidrocarbonetos e gás de síntese para energia e outros [77, 78]. Foi proposto que g-C ₃ N ₄ tem o potencial de ser fotocatalisadores escaláveis e livres de metal para uso em luz visível com base na estrutura, síntese e técnica de preparação aplicada. Um trabalho recente de Liu e equipe [79] sugeriu um novo desenvolvimento de método de modelagem sacrificial para formular g-C mesoporoso ₃ N ₄ esferas e um esquema de alto rendimento. Esta técnica proposta pode ser usada para sintetizar g-C ₃ N ₄ bastões, e isso é melhor para a regeneração de NADH (Fig. 10a-c) para a produção bem-sucedida de energia e outros.

Águas residuais e tratamento ambiental

A maioria dos processos industriais petroquímicos, petroquímicos, têxteis e alimentícios levam à poluição do meio ambiente, para ser mais preciso, dos corpos d'água [80]. Na produção de têxteis, materiais fotográficos e materiais de impressão, tintas orgânicas são usadas e essas tintas lixiviam na maioria dos ambientes aquáticos durante o processo de tingimento [81]. Apesar do impacto prejudicial desses corantes na saúde humana e animal, sua degradação biológica e química é um desafio [82, 83]. Devido a esta ameaça, existe a necessidade de desenvolver um processo de oxidação superior para o tratamento de água potável contaminada e materiais não degradáveis [84, 85]. A maioria das pesquisas [86,87,88,89,90] provou que o uso de semicondutores como g-C ₃ N ₄ para fotocatálise é o melhor método para o tratamento de águas residuais e meio ambiente devido à sua natureza menos prejudicial [86,87,88,89,90]. g-C ₃ N ₄ é mais conhecido por ser os fotocatalisadores potenciais para a degradação de numerosos poluentes [16, 90, 91], com potenciais fotofísicos do nitreto original alterado por dopagem com heteroátomos, formação de heterojunção com outros materiais e aprimoramentos texturais para expandir a área de superfície e porosidade . A estrutura, síntese e técnicas de preparação de g-C ₃ N ₄ nanofolhas também determinam a eficiência do fotocatalisador e sua aplicação em relação ao tratamento de águas residuais. Ultrathin g-C ₃ N ₄ nanofolhas derivadas de g-C em massa ₃ N ₄ por esfoliação em metanol revelam atividade fotocatalítica aumentada (Fig. 11) para degradação de azul de metileno (MB) [92]. Sintetização e preparação do candidato por dopagem de metais como Cu e Fe [93,94,95, 96] e não metais, como B, C, O ou S [97,98,99,100] e co-dopagem [ 101,102,103] tem sido amplamente utilizado por muitos cientistas para tratamento de água e meio ambiente. Uma solução promissora para a despoluição ambiental [104,105,106] é a combinação de metais nobres e g-C ₃ N ₄ [107,108,109,110,111,112].

Em resumo, as aplicações inviáveis em águas residuais e poluição ambiental da maioria dos fotocatalisadores mais bem versados se devem a alguns de seus dissuasores de demérito que incluem alto custo, pequena escala, pouca atividade fotocatalítica e reciclagem instigante. Razoavelmente, na área de remediação ambiental, g-C ₃ N ₄ , TiO ₂ -, e nanomateriais baseados em ZnO exibem as aplicações mais promissoras como resultado de seu baixo custo, alta atividade fotocatalítica e nenhuma segunda poluição no meio ambiente [3].

Aplicações biomédicas e de detecção

Para aumentar a capacidade de g-C ₃ N ₄ para detecção, bioterapia e uso de bioimagem, é necessário alterar a estrutura molecular, melhorando assim o manuseio do material na água. Devido à fotoluminenscência leve, altamente recomendado para uso relacionado com a biologia, g-C ₃ N ₄ o nanomaterial é um candidato essencial para aplicações biomédicas e de detecção. A aplicação de g-C ₃ N ₄ para detecção, bioterapia e bioimagem considera principalmente sua estrutura, síntese e mecanismos preparativos. Zhang e colaboradores [53] propuseram que nanofolhas ultrafinas de g-C3N4 poderiam ser usadas como biomarcadores para a marcação das membranas celulares. g-C ₃ N ₄ também foi sugerido por Lin e co. para ser um potencial fotossensibilizador e nanocarreadores de drogas responsivos ao pH para imagens e terapia de câncer.

Perspectivas Futuras

A partir da discussão, a pesquisa futura do composto nano g-C3N4 pode se concentrar na síntese de partícula nano g-C3N4 inovadora que responde ao monitoramento da morfologia, avaliando a praticidade da fotocatálise e a eficácia da síntese tradicional e estratégias preparativas de g- Composto baseado em nano C3N4 e, em seguida, explorar as aplicações de diversas partículas baseadas em nano g-C3N4 no tratamento de águas residuais comerciais, sua aplicação eficaz na utilização de energia solar, tratamento ambiental, aplicações biomédicas e de detecção, avaliando totalmente sua capacidade fotocatalítica, custo, energia consumo e reutilização.

Conclusões

Em conclusão, esta mini revisão culmina os avanços atuais na estrutura e técnicas de preparação de g-C encorpado ₃ N ₄ material baseado em nano. Compreensivelmente, g-C ₃ N ₄ demonstrou ser um dos concorrentes mais favoráveis, adequado para planejar e montar fotocatalisadores compostos inovadores. Assim, há pouca incerteza de que o grande avanço do g-C ₃ N ₄ partícula baseada em nano vai perdurar para se desenvolver em um futuro próximo. Em vista disso, mais estudos também são necessários para fazer uso total das excepcionais estruturas, síntese, propriedades e técnicas de preparação de g-C ₃ N ₄ partícula baseada em nano.