グラファイト状窒化炭素ナノベース粒子の構造と特性（光触媒）、および調製技術に関するミニレビュー、およびその応用

要約

グラファイト状窒化炭素（g-C ₃ N ₄ ）は、CO ₂など、光触媒活性の最も有望な材料の1つとしてよく知られています。還元と水の分解、および有機汚染物質の除去による環境修復。一方、窒化炭素は、電界放出特性の面でも優れた特性と広範なアプリケーション予測をもたらします。このミニレビューでは、フルボディのg-C ₃の新しい構造、合成、および調製技術を紹介します。 N ₄ ベースのコンポジットとフィルムが明らかになりました。このミニレビューでは、g-C ₃の調製に使用される構造、合成、および多様な方法における現代の進歩について説明しました。 N ₄ ナノ構造材料。本研究では、卓越した構造と特性の使用、およびグラファイト状窒化炭素（g-C ₃）の調製技術に関する完全な知識について説明します。 N ₄ ）とそのアプリケーション。

はじめに

地球外宇宙から高揚した中心的なエネルギー源である太陽エネルギーの容量は、大きな国境でアルマナックの世界のエネルギー需要を上回っています[1]。太陽の長い予測時代を考えると、太陽エネルギーはまた、地球、地球で収穫できる究極の再生可能エネルギー源と考えられています[2、3]。しかし、このエネルギー源の終わりのない不連続な性質は、収穫、貯蔵、利用の関係において重要な課題を提示します[4]。現時点では、それらに直面するために使用される可能性のある技術の測定が実施されています。太陽エネルギーは柔軟に集められ、変換され、熱の形で維持されます。これは、熱を居住地に分配するか、さらに電気や他の形のエネルギーに変換することができます[5]。太陽光子獲得に関して調査された最も革新的な技術は、Edmond Becquerel、1839 [5]によって説明されているように、光触媒によるものである可能性があります。

主に、廃水、特に化学工業化によって生成された廃水は、汚染の主な原因です。この廃水には、非常に有毒で発がん性のある大きな有機フラグメントが著しく集中しているためです[3]。以前は、環境修復技術（吸着、生物学的酸化、化学酸化、および焼却で構成される）は、あらゆる種類の有機および有毒な廃水の処理に使用されており、太陽エネルギーの利用、環境処理、および生物医学およびセンシングアプリケーション。藤島とホンダは、TiO ₂の存在下での水の水素と酸素への光化学的分解に関する優れた知識を明らかにしました。 1972年;研究の関心は、不均一な光触媒作用に集中しています[3,4,5]。触媒の存在下での光反応の加速は、光触媒作用として説明されます。光触媒反応は、気相、純粋な有機液相、または水溶液などの媒体で行われることが最もよく知られています。また、ほとんどの化学的分解方法では、光子および触媒に対する光触媒分解が、有機廃水、太陽エネルギー利用、環境処理、生物医学およびセンシングアプリケーションの制御に最適であると認識されることがよくあります[3、5]。したがって、有機廃水の処理および関連するアプリケーションに使用される最高の技術は、進化する太陽光駆動の光触媒に起因します[3]。

半導体光触媒は、飲料水処理、環境浄化、産業および健康用途で、水相または気相システムから周囲濃度の有機および無機種を除去するために使用できます。これは、これらの半導体の巨大な能力によるものです（g-C ₃ N _4、 TiO ₂ -およびZnO）は、レドックスプロセスを通じて空気および水中の有機および無機基板を酸化し、太陽エネルギーの利用、廃水、環境処理、生物医学およびセンシングのアプリケーションに二次汚染なしで効果的に適用します。

高分子黒鉛状窒化炭素（g-C ₃ N ₄ ）は、光触媒研究における検討の主要な中心となっています[6]。 g-C ₃ N ₄ は2.7eVのバンドギャップを持つ可視光応答エレメントであり、CBとVBのエネルギー位置は通常の水素電極を介してそれぞれ-1.1と1.6eVにあります[Wangetal。 2009]。さらに、g-C ₃ N ₄ 熱、強酸、強アルカリ性溶液からの攻撃に耐える能力があります[7]。 g-C ₃ N ₄ ジシアナミド、シアナミド、メラミン、メラミンシアヌレート、尿素などの安価なNリッチ前駆体を熱重合することで簡単に調製できる独自の能力があり、これは、調製に高価な金属塩を必要とする他の金属含有光触媒とは異なります。 6、8]。熱凝縮、ソルボサーマル、化学蒸着、マイクロ波支援、重合、および水熱合成は、光触媒などの分野での独特の目的および分析のための窒化炭素の調製に称賛に値する準備戦略の例です（表2）。 [9]。

g-C ₃のこれらの優れた特性により N ₄ 、この有望なg-C ₃の使用 N ₄ 水分解では、CO ₂ 光還元、有機汚染物質の精製、触媒有機合成、および燃料電池は、より効率的かつ効果的です[6]。 g-C ₃に関するすばらしい研究とレビューの数 N ₄ 過去数年間の構造と準備は途方もなく増加しました[10]。著者は主に、g-C ₃の構造、合成、および調製技術に関する最新の進歩に重点を置いています。 N ₄ および窒化炭素（CN _x ）この簡潔なミニレビューで鮮やかに映画。 g-C ₃のユニークな構造と新しい合成および調製技術 N ₄ 、およびCN _X 映画は見事に提示されており、g-C ₃の準備を拡張するための啓発された概念 N ₄ このミニレビューでは、その後強調されます。また、著者はg-C ₃でのアプリケーションについて議論しました N ₄ 、そして将来の研究の展望も提唱されました。

レビュー

グラファイト状窒化炭素と光触媒

光触媒作用は、触媒の活性化によってもたらされる化学変換（酸化および還元）の加速を最もよく指します。この反応は、汚染物質の光触媒変換につながる可能性のある吸着される電荷またはエネルギー移動に続いて、光吸収を介して、半導体を単独で、または金属/有機/有機金属プロモーターと組み合わせて含みます。光触媒メカニズムの間に、反応性酸化種の生成を成功させるのに役立つ少なくとも2つの主要な作用が同時に発生します（図2）。これらの反応は、解離的に吸着されたH ₂の酸化です。 Oは主に光生成された正孔によって生成され、電子受容体の還元も光励起された電子によって生成されます（図2）。したがって、これらの反応は、それぞれヒドロキシルラジカルアニオンとスーパーオキシドラジカルアニオンを生成します[11]。光触媒反応の間、反応における触媒としての光の作用の代わりに、触媒活性種の光子支援生成があることは明らかです[12、13、14、15、16]。かなりのことですが、化学変換を開始するための触媒（光触媒）による、主に太陽光からの可視光の刈り取り（図1）は、光触媒作用と呼ばれます。 C ₃の適用 N ₄ 廃水処理、太陽エネルギー利用、環境処理、生物医学およびセンシングアプリケーション用の光触媒は、科学の多くの分野で議論されてきました。

TiO ₂などの半導体触媒の啓蒙、ZnO、ZrO ₂ 、およびCeO ₂ 、バンドギャップ以上のエネルギーを運ぶ光子で、光誘起電子移動および光の吸収と同様の電子正孔対を作成すると、1つの電子が伝導帯に促進されます。酸化物はその電子（図2）を吸着された電子受容体に移動し（それによってその還元を促進し）、正孔（または電子空孔）は吸着されたドナーからの電子を受容します（その酸化を促進します）。 g-C ₃ N ₄ 水素/酸素発生とCO ₂を触媒することができますバンドギャップ励起下および適切な共触媒および/または犠牲剤の存在下での還元。

グラファイト状窒化炭素ナノベース粒子

明確な電子的、化学的、および光学的特性を有する1Dナノ構造を持つ材料は、サイズと形態を調整することができます。 1Dナノ構造材料のこの能力は、それらの光触媒活性を改善するための多様なアプローチの新たな進歩をもたらしました[17]。さらに、これらの1Dナノ構造による電子の軸方向への移動と横方向の閉じ込めのガイダンスがあります。グラフェンから金属酸化物および金属カルコゲニドナノシート、さらに2D共有結合性有機フレームワーク（g-C3N4）への2D材料の進歩がありました。

前駆体の選択と凝縮方法の適切な手段により、2つの主要なタイプのg-C ₃が生まれました。 N ₄ 構造的多形であり、これにはまず、g-C ₃が含まれます。 N ₄ 凝縮したs-トリアジンユニット（C ₃の環）で構成されています N ₃ ）単一炭素空孔の周期的な配列。 2番目のタイプのg-C ₃ N ₄ 縮合トリ-s-トリアジン（C ₆のトリリング）で構成されています N ₇ ）平面の第三級アミノ基を介して結合したサブユニット。これにより、格子内に周期的な空孔が大きくなります。 g-C ₃ N ₄ ネットワークは主にメロンベースのセグメント（2番目のタイプの構造。これはトリ-s-トリアジンユニットで構成されています、図3a）で構成されており、メラミンベースの配置（最初のタイプの構造。機能理論（DFT）計算[18]で説明されているs-トリアジン、図3b）。したがって、トリ-s-トリアジン核がg-C ₃の形成の基本的な構成要素であると広く信じられています。 N ₄ ネットワーク。

グラファイト状窒化炭素ナノベース粒子の構造

g-C ₃ N ₄ は、完全に共有結合したsp ₂で構成される2次元（2D）高分子材料のクラスです。 -混成炭素原子と窒素原子。炭素と窒素には、結合を形成するさまざまな原子価状態の違いがあります。したがって、g-C ₃ N ₄ 、原子価結合構造にはさまざまなものがあります。いくつかのC ₃ N ₄ g-C ₃の欠陥構造とアモルファス構造 N ₄ はまだ準安定構造ですが、N空孔の増加に伴い、g-C ₃のこれら2種類の構成 N ₄ 材料は通常、体積弾性率が低くなります。 g-C ₃の構造特性、材料の組成、結晶化度 N ₄ XRD、XPS、およびラマン技術によって特性評価および評価できます。 1830年、ベルセリウスは一般式（C ₃ N ₃ H）nとLiebigも「メロン」という表記を考案し、これらの予測により、窒化炭素のオリゴマーとポリマーに焦点を当てた研究がさらに進んだ[19、20]。さらに、これらの結晶構造は実験で発見され、述べられています[21、22、23]。 α-C₃ N ₄ Yuと同僚によって以前に発見されました[24]。グラファイトC ₃のグラファイトのようなロードされた2D構造 N ₄ 通常、主にp共役グラファイト面を含む窒素ヘテロ原子置換グラファイトフレームワークとして観察され、sp ² を使用します。炭素原子と窒素原子の混成。結晶性グラファイトは、g-C ₃よりも密度が3％低くなっています。 N ₄ 。電子の局在をシフトし、次に窒素ヘテロ原子置換のために層間にある結合を強化することは、g-C ₃の層間距離を啓発するのに役立ちます。 N ₄ [25]。

g-C _{3の電子構造と特性} N ₄

現在、g-C3N4は、TiO ₂のような従来の光触媒の光触媒活性を回復するための新世代の光触媒と見なされています。、ZnO、およびWO3。 g-C3N4は、グラファイトのような構造を持っていると想定されています[26、27、28、29、30]。熱重縮合法は、一般的にg-C3N4を調製するために使用され、したがって、g-C3N4の電子構造を調査するために使用されます。

α-C₃ N ₄ Yuと同僚によって以前に発見されました[24]。これらの科学者は、量子力学クラスターモデルの計算手順を使用して、α-C₃を開発しました。 N ₄ g-C ₃の電子構造を最適化することにより N ₄ 光触媒などに。 alpha-C ₃の構造 N ₄ 、sp ³ によってリンクされたCおよびN原子重要なのは、g-C3N4の四面体構造の設計に使用することでした。 LiuとCohenは、beta-C ₃の存在を予測していました。 N ₄ 第一原理のバンドコンセプトと準備されたベータC ₃ N ₄ βに基づく -Si ₃ N ₄ 電子構造。その後、LiuとCohenは、βの構造を明らかにしました。 -C ₃ N ₄ ユニットセルごとに14個の原子を含む六角形でした。

1989年にLiuとCohenが予測した、b-多形C ₃ N ₄ ダイヤモンドと比較して非常に高い硬度値を持ち、これまで科学研究を熱心に行ってきました[26]。 1993年、C ₃ N ₄ 純粋な窒素環境下でのSi（100）および多結晶Zr基板上のグラファイトターゲットのマグネトロン吸入による薄膜とC ₃の構造の考察 N ₄ 分析電子顕微鏡法とラマン分光法を用いて、Chenと共著者によって合成されました[27、31]。科学者のTeterとHemley [28]は、alpha-C ₃ N ₄ 、ベータ-C ₃ N ₄ 、キュービック-C ₃ N ₄ 、疑似立方晶-C ₃ N ₄ 、およびグラファイトC ₃ N ₄ 窒化炭素多形の相対的安定性、構造、および物理的特性の第一原理計算に従ってすでに説明したように、3年後に行った実験でダイヤモンドの硬度に近い顕著な硬度を示しています。

Wangと共同研究者[26、32]は、ab initio進化的アルゴリズム構造検索を適用して、可視光応答性光触媒を強化するための熱重縮合および塩溶融合成法によって調製されたg-C3N4の正確な構造を計算しました。最も安定した構造1〜3は、ヘプタジンベースのg-C3N4で予測されました。相安定性の順序は1> 2> 3でした。他の層状構造とは異なり、ヘプタジンベースのg-C3N4（図3を参照）の歪んだ相が最も安定していました。この構造は、promiseの強化された光触媒活性に貢献します。 g-C3N4では、窒素の孤立電子対がバンド構造と価電子帯の発達に主に関与しています。

グラファイト状窒化炭素ナノベース粒子の調製

合成

グラファイト状窒化炭素の興味深いトライボロジー的および電子的性質により、制御された方法でグラファイト状窒化炭素の層を堆積する方法を開発することが可能になります。したがって、窒化グラフェンを得ることができる。かなり、比較のためのベンチマーク粒子はかさばるg-C3N4です。この粒子は、シアナミド、ジシアンジアミド、メラミン、チオ尿素、尿素、またはさまざまな調製方法による混合物など、直接C–C結合のない窒素に富む前駆体を選択することで最もよく達成できます（表1、2、および3）。瞬間的な熱凝縮[33]。窒化炭素材料は、ほとんどが表面積が小さく、通常10 m ² 未満のバルク資源です。 g ^-1 窒素含有有機前駆体の直接凝縮によって調製または合成される場合[34]。

<図> <図> <図>

メソポーラス構造は、鉱化され、比表面積が増幅されると、物理化学的特性を微調整し、グラファイト状窒化炭素（g-C ₃）の光触媒性能を向上させるのに役立ちます。 N ₄ ）。メソポーラスシリカマトリックスのナノキャスティング/複製は、グラファイト状窒化炭素（g-C ₃）を調製するために使用される最初の方法です。 N ₄ ）、これらは対応するカーボンナノ構造のコホートで有名でした[35]。その後、g-C ₃のより革新的なスキームを引き出すために、多大な努力が払われました。 N ₄ ハードテンプレートメソッドによって熱狂された変更（表1）。次に、LiuとCohenは、（表1）ソフトテンプレート手法[26]と、他のg-C ₃を発見しました。 N ₄ 酸性溶液含浸、超音波分散法、化学的機能化[26]などの修飾スキームも発見されました。上記のこれらの方法は、g-C ₃の表面の化学的性質とテクスチャーを変更する際の原理の良い兆候でした。 N ₄ 、その電子的な可能性だけで。

物理的蒸着（PVD）[36]、化学蒸着（CVD）[37]、ソルボサーマル法[38]、および固相反応[38]などの熱処理は、豊富な窒素リッチおよび酸素の重合に使用されます。事前に結合されたC–Nコア構造（トリアジンおよびヘプタジン誘導体）を含むフリーの化合物前駆体。これらは、グラファイト状窒化炭素（gC ₃）の基本的な手法として機能します。 N ₄ ）合成。グラファイト状窒化炭素（g-C ₃）の調製に一般的に使用される前駆体 N ₄ ）重合によるものには、シアナミド[39]、ジシアンジアミド[40]、メラミン[41]、尿素[42]、チオ尿素[43]、塩化グアニジン[44]、およびグアニジンチオシアン酸塩[45]が含まれます。完成した要素を直接使用することは、実際には多くの分野で困難です。これは、バルクg-C ₃の分散度が弱く通常の性質であるためです。 N ₄ 。さまざまな種類のg-C ₃を調製するための、十分なマイクロ/ナノ構造および形態の使用 N ₄ 過去数年間の光触媒研究において、科学者によって徹底的に研究されてきました。たとえば、極薄のg-C ₃ N ₄ バルクg-C ₃を剥離して作製したナノシート N ₄ 材料[46,47,48]は負に帯電しており、水によく分散する可能性があります。

熱酸化剥離、超音波剥離、および化学剥離は、g-C ₃の調製に使用される主要な剥離方法としてよく知られています。 N ₄ 材料。 Meso-g-C ₃ N ₄ 材料は、比表面積が大きいため（最大830 m ² ）、優れた光触媒活性などの優れた性能を発揮します。 g ^-1 ）およびより大きな気孔率（最大1.25 cm ³ g ^-1 ）;また、表面に存在する活性部位の数が多く、サイズまたは形状の選択性が高いほど、優れた性能が向上します。 meso-g-C ₃の調製に最も重要な経路 N ₄ ソフトテンプレート（自己組織化）[49、50]およびハードテンプレート（ナノキャスティング）[51]の方法が含まれます（表1および図4）。小さいサイズ、一般にg-C ₃として知られています N ₄ 量子ドット（QD）は、g-C ₃の合成に関する研究で、多くの優れた研究者によって使用されました。 N ₄ [52,53,54,55]。 2D g-C ₃を合成するための2つの主なアプローチ N ₄ ナノシートは、層状のg-C ₃の層間剥離です。 N ₄ 固体は、主にトップダウン戦略（図5）として知られている自立型ナノシートと、ボトムアップ戦略とも呼ばれる2D方式での有機分子の異方性アセンブリ（図6）になります。 [56] CNナノシートの多様な化学構造と電子バンド構造について注目すべきことに、調製されたままのCNナノシートは、多数の金属イオンに対する独自のエレクトロケミルミネッセンス（ECL）発光応答を示しました。このため、多数の金属イオンを迅速に検出するECLセンサーの開発に成功しています。

グラファイト状窒化炭素ナノベース粒子の調製に使用される技術

窒化炭素（g-C ₃）の合成に関する研究 N ₄ およびCN x ）世界中からの研究者の好奇心を熱狂させてきました。 g-C ₃ N ₄ 正確な光触媒特性を備えたフィルムが合成されています[57、58]。アプローチされた熱凝縮、ソルボサーマル、化学蒸着、マイクロ波支援、重合、および水熱合成は、さまざまな目的のための窒化炭素の調製および光触媒などの分野での分析に効果的に使用されてきた方法です[9 ]。

熱およびソルボサーマル処理方法

ニッケル粉末の存在下でのメラミンと塩化シアヌルの間の重縮合反応に基づいて、Liと研究チーム[41]は、窒素に富む黒鉛状窒化炭素を合成するための2つの主要な方法を提案しました。これらの2つの方法は、溶媒としてベンゼンを使用するソルボサーマル法と、熱処理を伴う無溶媒の固体反応法でした（図7）。多くの科学者による他の研究[59,60,61,62、63]は、ソルボサーマル反応は通常、洗浄と乾燥の後に結晶を生成し、アニーリング後の処理を必要としないことを示唆しています。これらの科学者は、この方法で強化された光触媒活性も提案しました（図8）。

ニウと共同。また、ソルボサーマル法を使用した場合の形態変化も報告されています[64]。 Loumagneと共同研究者[65]は、水素中でのCH3SiCl3の熱分解によって達成された、SiCベースの堆積物の物理化学的所有を証言しました。 Kellyとグループ[66]は、反応物である塩化タンタル（V）と、アルゴンを充填したグローブボックスの下で熱プロセスによって混合された炭素を使用したTaCの合成を報告しました。続いて、グラファイト集合特性を備えた共役芳香族ヘプタジンシステムから主に構成される熱凝縮法が、g-C ₃を調製するために数回使用されてきました。 N ₄ [36]。 g-C ₃のソルボサーマル技術の使用 N ₄ 合成は、時代遅れの熱凝縮法と比較して、均一で微粒子の形成、わずかなエネルギー消費、およびより高い経済的実現可能性などの大きな報酬を持っています。逆に、これらの方法は依然として時間がかかり、粒子の形成と結晶化を完了するのにある程度の数時間かかる。

化学蒸着

Robertoらによる調査[60]は、メラミンと尿酸の反応による黒鉛状窒化炭素合成に化学蒸着（CVD）を使用すると、高い光触媒活性があることを示唆しています。形成された黒鉛状窒化炭素は、ヘプタジンブロックをベースにした構造であることがわかりました。

次に、Robertoらは、これらの窒化炭素の性質により、ギザギザのような形状（図7）、結晶化度、およびナノメートルのテクスチャが明らかになることを提案しました。ケリー等。 [66]は、反応物である塩化タンタル（V）と炭素を使用して、アルゴンを充填したグローブボックスの下で熱技術を介して混合し、後に化学技術を介してTaCナノ粒子に変換することによるTaCの合成を報告しています。 CVDは、触媒活性のためのさまざまなデバイスで使用するための高構造品質の単層グラフェンを調製するための最も有用な方法の1つです[67]。 Wangとグループ[26、32]は、最初にHFCVD法を使用してNi基板上にCN푥膜を取得しました。これらのフィルムの準備は、CVD条件下でC–HおよびN–H結合を生成する可能性が高いため、CN푥フィルムのほとんどはアモルファスです。以前の研究から、窒化炭素を調製するためにCVD手順が使用されており、基板材料の選択を考慮することが非常に重要です。大面積のサンプルは、金属をさまざまな炭化水素前駆体に高温でさらすことによって準備できます。プラズマ強化CVD、熱CVD、ホット/コールドウォールCVDなど、さまざまなタイプのCVD法を利用できます。 CVD法は、主に電子サイクロトロン共鳴、ホットフィラメント支援、DCグロー放電、高周波放電、およびマイクロ波プラズマ化学蒸着で構成されています。補助ホットフィラメント化学蒸着（HFCVD）のバイアスは、ダイヤモンド膜などの蒸着に使用されるローカルツールの1つです。グラフェンの形成の正確なメカニズムは成長基板に依存しますが、通常、炭化水素の分解後に金属上で核形成する炭素原子の成長から始まり、核はその後大きなドメインに成長します[68]。最近、抵抗加熱冷壁CVDを使用して製造された高品質の単層グラフェンも、従来のCVDよりも100倍高速でした。

ゾル・ゲル合成

ゾルゲル合成技術は、ゲル中間体の変換後に溶液から固体生成物またはナノ材料を形成するプロセスです。この合成方法では、反応物が分子レベルで混合されるため、反応が速くなり、表面積が大きく、より均質な生成物が得られます。注目すべきことに、この技術は、金属炭化物や光触媒用の窒化物プロセスなど、さまざまな種類のナノ粒子を合成するために使用されてきました[69]。ゾルゲルプロセスを使用した金属窒化物の合成は、金属有機化合物（金属元素とジアルキルアミンから合成）の使用にまでさかのぼることができます[70]。

電子レンジ加熱

最近では、マイクロ波加熱は、工業規模での生産に適した包括的な反応範囲と短い反応時間を可能にするため、上記の方法と比較してファインケミカルや医薬品の調製に広く使用されています[71]。 g-C ₃を合成するために、Wangとその同僚は単純な手法を採用しました。 N ₄ H ₂を生成するための光触媒として活性化できる、安価で安価な窒素に富む前駆体を使用します。およびO ₂ 彼らの研究のために可視光照射下で。マイクロ波放射は化学反応を加速し、消費されるエネルギーを減少させ、その結果、反応容器に浸透し、反応物と溶媒に大きな熱伝達率でエネルギーを開放的に利用できるようにします。マイクロ波加熱技術は、油浴や加熱チャンバーなどの従来の技術とは異なります。この方法はより効果的で信頼性があります。 Microwave radiation, regarding to heat solvothermally pressurized and closed reaction system, the reactants can be reacted and transformed into products far more swiftly than using the conventional method. Dai and coworkers proposed a time-saving and economical process for the synthesis of g-C₃ N ₄ using microwave-assisted polymerization recently. Dai and coworkers then found out that the g-C₃ N ₄ sample achieved, showing submicrospheres and a high surface area of 90 m² 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 N ₄ 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 N ₄ performed better in visible-light-responsive photocatalysis.

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 N ₄ , the mass fraction of nitrogen is usually less than 40%. Conversely, to form 훽-C₃ N ₄ , 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 N ₄ on silicon substrate by using pulse laser evaporation C target, auxiliary deposition of atom nitrogen. Niu etal。 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 N ₄ , 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 N ₄ 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 N ₄ 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 N ₄ spheres and a high-throughput scheme. This proposed technique can be used to synthesize g-C₃ N ₄ rods, and this is best for NADH regeneration (Fig. 10a–c) for successful production of energy and others.

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 N ₄ 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-C ₃ N ₄ 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 N ₄ nanosheets also determine the efficiency of the photocatalyst and its application in relation to wastewater treatment. Ultrathin g-C₃ N ₄ nanosheets derived from bulk g-C₃ N ₄ 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 N ₄ [107,108,109,110,111,112].

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 N ₄ 、TiO ₂ -, 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 N ₄ 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 N ₄ nano-material is a very essential candidate for biomedical and sensing applications. The application of g-C₃ N ₄ 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-C ₃ N ₄ 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.

結論

In conclusion, this mini review climaxes the current advances on the structure and preparation techniques of full-bodied g-C₃ N ₄ nano-based material. Understandably, g-C₃ N ₄ has demonstrated to be one of the greatest favorable entrants suitable for scheming and assembling innovative composite photocatalysts. Thus, there is little uncertainty that the massive advancement of g-C₃ N ₄ nano-based particle will endure to develop in the near future. In view of that, more studies are also needed to making full use of the exceptional structural, synthesis, properties, and the preparation techniques of g-C₃ N ₄ nano-based particle.