Mini revue sur la structure et les propriétés (photocatalyse) et les techniques de préparation de particules de nitrure de carbone graphitique et leurs applications

Introduction

La source d'énergie centrale exaltée de l'espace extraterrestre, les capacités d'énergie solaire à dépasser la demande d'énergie du monde de l'almanach par une large frontière [1]. Compte tenu de la longue ère de prévision du Soleil, l'énergie solaire est également considérée comme la source renouvelable ultime pouvant être récoltée sur la planète Terre [2, 3]. La nature interminable et discontinue de cette source d'énergie, cependant, présente des défis clés dans les relations de récolte, de stockage et d'utilisation [4]. À l'heure actuelle, il existe une mesure des technologies en place qui peuvent être utilisées pour y faire face. L'énergie solaire peut être collectée, transformée et conservée de manière flexible sous forme de chaleur, qui peut soit distribuer de la chaleur à la résidence, soit être convertie en électricité, ainsi qu'en d'autres formes d'énergie [5]. Les technologies étudiées les plus innovantes concernant l'acquisition de photons solaires sont peut-être celles par photocatalyse, comme décrit par Edmond Becquerel, 1839 [5].

Les eaux usées sont principalement la principale source de pollution, en particulier les eaux usées produites en raison de l'industrialisation chimique, car ces eaux usées contiennent une concentration prononcée de gros fragments organiques qui sont de nature extrêmement toxiques et cancérigènes [3]. Auparavant, la technologie d'assainissement de l'environnement (qui comprend l'adsorption, l'oxydation biologique, l'oxydation chimique et l'incinération) a été utilisée dans le traitement de tous les types d'eaux usées organiques et toxiques et a également son application efficace dans l'utilisation de l'énergie solaire, le traitement de l'environnement et applications biomédicales et de détection. Fujishima et Honda ont révélé les connaissances exceptionnelles sur la division photochimique de l'eau en hydrogène et oxygène en présence de TiO₂ en 1972; l'intérêt de la recherche s'est concentré sur la photocatalyse hétérogène [3,4,5]. L'accélération de la photoréaction dans l'existence d'un catalyseur est décrite comme la photocatalyse. La réaction de photocatalyse est mieux connue pour être effectuée dans des milieux tels qu'une phase gazeuse, des phases liquides organiques pures ou des solutions aqueuses. De plus, dans la plupart des méthodes de dégradation chimique, la dégradation photocatalytique vis-à-vis des photons et d'un catalyseur est souvent identifiée comme la meilleure pour contrôler les eaux usées organiques, l'utilisation de l'énergie solaire, le traitement de l'environnement et les applications biomédicales et de détection [3, 5]. Par conséquent, la technologie de pointe utilisée pour le traitement des eaux usées organiques et les applications connexes est attribuée à l'évolution des photocatalyseurs alimentés par la lumière solaire [3].

Les photocatalyseurs semi-conducteurs peuvent être utilisés pour éliminer les concentrations ambiantes d'espèces organiques et inorganiques des systèmes en phase aqueuse ou gazeuse dans le traitement de l'eau potable, l'assainissement de l'environnement et les applications industrielles et sanitaires. Cela est dû à la capacité massive de ces semi-conducteurs (g-C₃ N_4, TiO₂ - et ZnO) pour oxyder les substrats organiques et inorganiques dans l'air et l'eau par des processus redox pour son application efficace dans l'utilisation de l'énergie solaire, les eaux usées et le traitement de l'environnement, les applications biomédicales et de détection sans aucune seconde pollution.

Nitrure de carbone graphitique polymère (g-C₃ N₄ ) est devenu le principal centre de considération dans la recherche en photocatalyse [6]. g-C₃ N₄ est un élément de réponse à la lumière visible avec une bande interdite de 2,7 eV, et l'emplacement de l'énergie de CB et VB est respectivement à − 1,1 et 1,6 eV via une électrode à hydrogène normale [Wang et al. 2009]. De plus, g-C₃ N₄ a la capacité de résister aux attaques de la chaleur, des acides forts et des solutions alcalines fortes [7]. g-C₃ N₄ a une capacité unique à être simplement préparé en polycondensant thermiquement les précurseurs riches en N bon marché, tels que le dicyanamide, le cyanamide, la mélamine, le cyanurate de mélamine et l'urée, ce qui est différent des autres photocatalyseurs contenant des métaux qui nécessitent des sels métalliques coûteux pour la préparation [ 6, 8]. La condensation thermique, la solvothermie, le dépôt chimique en phase vapeur, la polymérisation assistée par micro-ondes et la synthèse hydrothermale sont des exemples de stratégies de préparation (tableau 2) qui ont été louablement appliquées dans la préparation de nitrure de carbone à des fins distinctives et d'analyse dans le domaine de la photocatalyse et autres [9].

En raison de ces propriétés exceptionnelles de g-C₃ N₄ , l'utilisation de ce g-C₃ prometteur N₄ dans le fractionnement de l'eau, CO₂ la photo-réduction, la purification des contaminants organiques, la synthèse organique catalytique et les piles à combustible sont plus efficaces et plus efficaces [6]. Le nombre de recherches et de critiques admirables sur g-C₃ N₄ la structure et la préparation au cours des dernières années ont considérablement augmenté [10]. Les auteurs ont principalement mis l'accent sur les avancées les plus contemporaines concernant la structure, la synthèse et les techniques de préparation de g-C₃ N₄ et le nitrure de carbone (CN_x ) filme de manière vivante dans cette mini critique concise. La structure unique et les nouvelles techniques de synthèse et de préparation du g-C₃ N₄ , et CN_X les films sont joliment présentés, et les concepts éclairés sur l'extension de la préparation de g-C₃ N₄ dans cette mini revue sont ensuite soulignés. De plus, les auteurs ont discuté des applications sur g-C₃ N₄ , et les perspectives de recherches futures ont également été préconisées.

Revue

Nitrure de carbone graphitique et photocatalyse

La photocatalyse fait référence à l'accélération des conversions chimiques (oxydations et réductions) provoquées par l'activation d'un catalyseur. Cette réaction fait intervenir un semi-conducteur soit seul, soit en association avec des promoteurs métalliques/organiques/organométalliques, par absorption lumineuse, suite à un transfert de charge ou d'énergie à adsorber pouvant conduire à la transformation photocatalytique d'un polluant. Au cours d'un mécanisme de photocatalyse, il se produit simultanément au moins deux actions principales qui contribuent à une production réussie d'espèces oxydantes réactives (Fig. 2). Ces réactions sont l'oxydation de H₂ adsorbé dissociativement O principalement généré par des trous photogénérés et réduction d'un accepteur d'électrons également créé par des électrons photoexcités (Fig. 2). Par conséquent, ces réactions produisent respectivement un anion radicalaire hydroxyle et superoxyde [11]. Au cours de la réaction de photocatalyse, il est évident qu'il y a génération assistée par photons d'espèces catalytiquement actives au lieu de l'action de la lumière en tant que catalyseur dans une réaction [12,13,14,15, 16]. Considérablement, la récolte de la lumière visible, principalement de la lumière du soleil, par un catalyseur (photocatalyseur) pour initier des transformations chimiques (Fig. 1) est décrite comme une photocatalyse. Application de C₃ N₄ photocatalyseur pour le traitement des eaux usées, l'utilisation de l'énergie solaire, le traitement de l'environnement et les applications biomédicales et de détection a fait l'objet de discussions dans de nombreux domaines scientifiques.

Schéma de principe des mécanismes de base de l'activité photocatalytique du fractionnement de l'eau. Reproduit avec permission [113, 114]. Copyright 2015 &2018. La Société Royale de Chimie

Eclaircissement d'un catalyseur semi-conducteur, tel que TiO₂ , ZnO, ZrO₂ , et PDG₂ , avec des photons transportant une énergie égale ou supérieure à sa bande interdite, créant une paire de trous d'électrons similaire au transfert d'électrons photo-induit et l'absorption de la lumière favorise un électron dans la bande de conduction. L'oxyde peut transférer son électron (Fig. 2) à n'importe quel accepteur d'électrons adsorbé (favorisant ainsi sa réduction), tandis que le trou (ou la lacune électronique) peut accepter un électron d'un donneur adsorbé (favorisant son oxydation). g-C₃ N₄ est capable de catalyser le dégagement d'hydrogène/oxygène et de CO₂ réduction sous excitation de bande interdite et en présence de catalyseurs de co et/ou d'agents sacrificiels appropriés.

Illustration schématique de l'hétérojonction organique formée entre g-C3N4 et g-C3N4 dopé S. Reproduit de la Réf. [115]. Copyright 2015. Elsevier

Particule de nitrure de carbone graphitique à base de nano

Les matériaux avec des nanostructures 1D ayant des propriétés électroniques, chimiques et optiques distinctes pourraient voir leur taille et leur morphologie ajustées. Cette capacité des matériaux nanostructurés 1D a conduit à une nouvelle avancée de diverses approches pour améliorer leur activité photocatalytique [17]. De plus, il y a un guidage du mouvement des électrons dans la direction axiale et un confinement latéral des électrons par ces nanostructures 1D. Les matériaux 2D ont progressé, du graphène aux nanofeuillets d'oxyde métallique et de chalcogénure métallique, puis aux structures organiques covalentes 2D (g-C3N4).

Les moyens appropriés de sélection des précurseurs et les méthodes de condensation avaient conduit à deux principaux types de g-C₃ N₄ polymorphes structurels et cela inclut, en premier lieu, le g-C₃ N₄ se composent d'unités s-triazine condensées (anneau de C₃ N₃ ) avec un tableau périodique de lacunes de carbone unique. Le deuxième type de g-C₃ N₄ se compose de la tri-s-triazine condensée (tri-cycle de C₆ N₇ ) sous-unités couplées par des groupes amino tertiaires planaires, et cela a de plus grandes lacunes périodiques dans le réseau. Le g-C₃ N₄ Les réseaux se composent principalement de segments à base de melon (la structure du deuxième type ; il s'agit de l'unité tri-s-triazine, Fig. 3a) qui est thermodynamiquement plus stable par rapport aux arrangements à base de mélamine (la structure du premier type ; ce composé de la s-triazine, Fig. 3b) comme décrit par les calculs de la théorie fonctionnelle (DFT) [18]. Par conséquent, il est largement admis que le noyau tri-s-triazine est les éléments constitutifs fondamentaux de la formation du g-C₃ N₄ réseau.

un Tri-s-triazine et b tri-s-triazine comme structures unitaires de g-C₃ N₄ . Reproduit avec permission [25, 31]. Copyright 2008 Société royale de chimie

Structure de particules de nitrure de carbone graphitique à base de nano

g-C₃ N₄ sont une classe de matériaux polymères bidimensionnels (2D) comprenant entièrement des sp₂ liés par covalence -atomes de carbone et d'azote hybridés. Le carbone et l'azote ont la particularité de présenter divers états de valence formant une liaison; donc, dans g-C₃ N₄ , il existe diverses structures de liaisons de valence. Des travaux de recherche ont initié que certains C₃ N₄ structures de défauts et structures amorphes de g-C₃ N₄ sont toujours les structures métastables, mais avec la remontée de la vacance N, ces deux types de configuration de g-C₃ N₄ le matériau diminue généralement en module de masse. Les caractéristiques structurelles, la composition des matériaux et la cristallinité du g-C₃ N₄ peuvent être caractérisés et évalués par les techniques XRD, XPS et Raman. En 1830, Berzelius décrit la formule générale (C₃ N₃ H) n et Liebig ont également conçu la notation « melon », et ces prédictions ont ensuite conduit à davantage de recherches axées sur les oligomères et les polymères de nitrure de carbone [19, 20]. De plus, ces structures cristallines ont été trouvées et indiquées dans des expériences [21,22,23]. Le α-C₃ N₄ est plus tôt trouvé par Yu et ses collègues [24]. Une structure 2D chargée de type graphite du graphite C₃ N₄ est généralement observé comme une charpente de graphite substitué par un hétéroatome d'azote qui comprend principalement des plans graphitiques p-conjugués, et c'est avec sp ² hybridation des atomes de carbone et d'azote. Le graphite cristallin est 3% moins dense que le g-C₃ N₄ . Décaler la localisation des électrons puis consolider les liaisons entre les couches en raison de la substitution d'hétéroatomes d'azote peut aider à éclairer la distance intercouche de g-C₃ N₄ [25].

Structure et propriétés électroniques de g-C₃ N₄

Actuellement, le g-C3N4 est considéré comme un photocatalyseur de nouvelle génération pour récupérer l'activité photocatalytique des photocatalyseurs traditionnels comme le TiO₂ , ZnO et WO3. Le g-C3N4 est supposé avoir une structure de type graphitique [26,27,28, 29, 30]. La méthode de polycondensation thermique est généralement utilisée pour préparer le g-C3N4 et, par conséquent, pour étudier la structure électronique du g-C3N4.

Le α-C₃ N₄ est plus tôt trouvé par Yu et ses collègues [24]. Ces scientifiques ont utilisé la procédure de calcul du modèle de clusters de la mécanique quantique et ont développé α-C₃ N₄ en optimisant la structure électronique de g-C₃ N₄ pour la photocatalyse et autres. Dans la structure de alpha-C₃ N₄ , C et N atomes liés par sp ³ La clé était d'utiliser la conception de la structure tétraédrique du g-C3N4. Liu et Cohen ont anticipé l'existence du bêta-C₃ N₄ au moyen du concept de bande des premiers principes et bêta-C₃ préparé N₄ basé sur β -Si₃ N₄ structure électronique. Liu et Cohen ont ensuite révélé que la structure de β -C₃ N₄ était hexagonal englobant 14 atomes pour chaque maille élémentaire.

La prédiction exceptionnelle anticipée par Liu et Cohen en 1989 que le b-polymorphe C₃ N₄ aurait des valeurs de dureté exceptionnellement élevées par rapport au diamant a enthousiasmé la recherche scientifique à ce jour [26]. En 1993, C₃ N₄ couches minces par reniflage magnétron d'une cible de graphite sur substrats Si (100) et Zr polycristallin sous atmosphère d'azote pur et prise en compte de la structure de C₃ N₄ avec la microscopie électronique analytique et la spectroscopie Raman ont été synthétisés par Chen et ses co-auteurs [27, 31]. Les scientifiques, Teter et Hemley [28], ont prédit que l'alpha-C₃ N₄ , bêta-C₃ N₄ , cube-C₃ N₄ , pseudo-cubique-C₃ N₄ , et graphite C₃ N₄ montrent une dureté prononcée approchant celle du diamant dans leur expérience qu'ils ont réalisée 3 ans plus tard, comme déjà décrit conformément aux calculs du premier principe de la stabilité relative, de la structure et des propriétés physiques des polymorphes de nitrure de carbone.

Wang et ses collègues [26, 32] ont appliqué des recherches de structure d'algorithme évolutif ab initio pour calculer la structure précise du g-C3N4 préparé par des méthodes de polycondensation thermique et de synthèse par fusion de sel pour une photocatalyse améliorée sensible à la lumière visible. La structure la plus stable 1 à 3 a été prédite pour le g-C3N4 à base d'heptazine. L'ordre de stabilité de phase était 1 > 2 > 3. Contrairement à d'autres structures en couches, les phases déformées dans le g-C3N4 à base d'heptazine (voir Fig. 3) étaient les plus stables. Cette structure contribue à l'activité photocatalytique améliorée de la promesse. Dans le g-C3N4, les électrons à paires isolées d'azote sont principalement responsables de la structure de la bande et du développement de la bande de valence.

Préparation de particules de nitrure de carbone graphitique à base de nano

Synthèse

La nature tribologique et électronique intéressante des nitrures de carbone graphitique permet de développer une méthode de dépôt de couches de nitrures de carbone graphitique de manière contrôlée; par conséquent, le nitrure de graphène peut être obtenu. Considérablement, la particule de référence pour la comparaison est le g-C3N4 encombrant. Cette particule peut être mieux obtenue en utilisant une sélection de précurseurs riches en azote sans liaison directe C-C, tels que le cyanamide, le dicyandiamide, la mélamine, la thiourée, l'urée ou des mélanges par diverses méthodes de préparation (tableaux 1, 2 et 3), pour condensation thermique instantanée [33]. Les matériaux de nitrure de carbone sont pour la plupart des ressources en vrac avec une petite surface, généralement inférieure à 10 m ² g ⁻¹ lorsqu'ils sont préparés ou synthétisés par condensation directe des précurseurs organiques azotés [34].

La structure mésoporeuse, lorsqu'elle est minéralisée et la surface spécifique amplifiée, permet d'affiner les propriétés physico-chimiques et augmente alors les performances photocatalytiques du nitrure de carbone graphite (g-C₃ N₄ ). La nano-coulée/réplication de matrices de silice mésoporeuse est la première méthode utilisée pour préparer le nitrure de carbone graphite (g-C₃ N₄ ), ceux-ci étaient célèbres pour leur cohorte des nanostructures de carbone correspondantes [35]. De gros efforts ont ensuite été déployés pour faire émerger des schémas plus innovants pour g-C₃ N₄ modification, qui a été enthousiasmée par la méthode du modèle dur (tableau 1). Liu et Cohen ont alors découvert la (tableau 1) technique du modèle souple [26], et l'autre g-C₃ N₄ des schémas de modification tels que l'imprégnation en solution acide, la méthode de dispersion par ultrasons et la fonctionnalisation chimique [26] ont également été découverts. Ces méthodes telles que décrites ci-dessus étaient de bons signes du principe en modifiant les propriétés chimiques de surface et la texture de g-C₃ N₄ , seul avec ses potentiels électroniques.

Les traitements thermiques, tels que le dépôt physique en phase vapeur (PVD) [36], le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) [37], la méthode solvothermique [38] et la réaction à l'état solide [38], sont utilisés pour polymériser des quantités abondantes d'azote et d'oxygène. -précurseurs de composés libres comprenant des structures de noyau C-N pré-liées (dérivés de triazine et d'heptazine), et ceux-ci servent de techniques de base pour le nitrure de carbone graphite (gC₃ N₄ ) la synthèse. Les précurseurs couramment utilisés pour la préparation du nitrure de carbone graphite (g-C₃ N₄ ) par polymérisation comprennent le cyanamide [39], le dicyandiamide [40], la mélamine [41], l'urée [42], la thiourée [43], le chlorure de guanidinium [44] et le thiocyanate de guanidine [45]. L'utilisation directe d'éléments accomplis est en fait un défi dans de nombreux domaines ; cela est dû à la faible dispersité et à la nature ordinaire de la masse g-C₃ N₄ . L'utilisation de nombreuses micro/nanostructures et morphologies pour préparer différents types de g-C₃ N₄ a été intensément recherché par les scientifiques au cours des dernières années d'études de photocatalyse. Par exemple, ultrafin g-C₃ N₄ nanofeuillets qui ont été préparés en exfoliant en vrac g-C₃ N₄ les matériaux [46,47,48] étaient chargés négativement et pouvaient être bien dispersés dans l'eau.

L'exfoliation par oxydation thermique, l'exfoliation par ultrasons et l'exfoliation chimique sont bien connues comme les principales méthodes d'exfoliation utilisées pour préparer le g-C₃ N₄ matériaux. Méso-g-C₃ N₄ les matériaux ont de grandes performances telles qu'une grande activité photocatalytique en raison de leur plus grande surface spécifique (jusqu'à 830 m ² g ⁻¹ ) et une plus grande porosité (jusqu'à 1,25 cm ³ g ⁻¹ ); De plus, le plus grand nombre de sites actifs présents à la surface et une plus grande sélectivité en termes de taille ou de forme améliorent leurs excellentes performances. Les voies les plus essentielles pour la préparation du méso-g-C₃ N₄ comprennent les méthodes de modélisation souple (auto-assemblage) [49, 50] et de modélisation rigide (nano-moulage) [51] (tableau 1 et figure 4). Tailles plus petites, communément appelées g-C₃ N₄ les points quantiques (QDs), ont été utilisés par de nombreux grands chercheurs dans leurs recherches pour la synthèse de g-C₃ N₄ [52,53,54,55]. Deux approches principales pour synthétiser g-C₃ 2D N₄ les nanofeuilles sont le délaminage de couches de g-C₃ N₄ solides en nanofeuillets autonomes principalement connus sous le nom de stratégie descendante (Fig. 5) et l'assemblage anisotrope de molécules organiques de manière 2D (Fig. 6), également appelée stratégie ascendante. [56] Remarquablement pour la structure chimique diversifiée et la structure de bande électronique des nanofeuillets CN, les nanofeuilles CN telles que préparées ont révélé une réponse d'émission d'électrochimiluminescence (ECL) unique à de nombreux ions métalliques. Pour cette raison, il y a eu un développement réussi du capteur ECL avec une détection rapide de nombreux ions métalliques.

Images TEM de TCN (a et b ) et MCN (c et d ) en utilisant une approche de modélisation dure. Reproduit avec la permission de [120]. Copyright 2015. Elsevier

Illustration schématique de la synthèse des CNN en utilisant les stratégies descendantes et ascendantes (reproduit de la référence [121] avec la permission de la Royal Society of Chemistry)

Schéma de principe de préparation et photocatalytique à lumière visible améliorée par la diminution de RhB par différents photocatalyseurs en fonction du temps d'irradiation de lumière visible (charge de photocatalyseurs, 0,5 g/L ; concentration initiale de RhB, environ 10 mg/L, sans modulation du pH). Les photocatalyseurs utilisés étaient du g-C3N4 pur et a série d'hybrides g-C3N4/BiOCl, b dégradation cyclique de RhB sur BC3, c Modèles XRD des photocatalyseurs BC3 avant et après le processus photocatalytique, et d tracés du COT en fonction du temps de dégradation. (Reproduit de la réf. [122] avec la permission de Springer-Verlag GmbH Allemagne 2017)

Techniques utilisées dans la préparation de particules de nitrure de carbone graphitique à base de nano

L'étude sur les synthèses de nitrure de carbone (g-C₃ N₄ et CNx ) a enthousiasmé la curiosité des chercheurs du monde entier. g-C₃ N₄ et des films aux propriétés photocatalytiques précises ont été synthétisés [57, 58]. La condensation thermique, la solvothermie, le dépôt chimique en phase vapeur, la polymérisation assistée par micro-ondes et la synthèse hydrothermale approchées sont des méthodes (tableau 2) qui ont été efficacement utilisées dans la préparation de nitrure de carbone à différentes fins et analyses dans le domaine de la photocatalyse et autres [9 ].

Méthodes de traitement thermique et solvothermique

Sur la base d'une réaction de polycondensation entre la mélamine et le chlorure cyanurique en présence de poudre de nickel, Li et l'équipe de recherche [41] ont proposé deux méthodes majeures pour la synthèse de nitrures de carbone graphitiques riches en azote. Ces deux méthodes étaient des méthodes solvothermiques utilisant le benzène comme solvant et une voie de réaction solide sans solvant avec traitement thermique (Fig. 7). D'autres travaux de nombreux scientifiques [59, 60, 61, 62, 63] suggèrent que les réactions solvothermiques produisent généralement des cristaux après lavage et séchage, et ne nécessitent pas de traitement post-recuit. Ces scientifiques ont également proposé des activités photocatalytiques améliorées avec cette méthode (Fig. 8).

Images SEM de l'échantillon B :(a ) des particules d'alumine enrobées de nitrure de carbone; (b ) détail des empreintes saillantes de nitrure de carbone. Il est possible d'observer la forme dentelée des feuilles de nitrure de carbone obtenues par pyrolyse. Images SEM de l'échantillon A :(c ) et (d ) vues de particules d'alumine enrobées de nitrure de carbone. Reproduit de [60]

Images MET et diagramme de diffraction électronique de mp-C3N4 après élimination des nanoparticules de silice. Reproduit avec permission [123]. Copyright John Wiley &Sons Inc., 2006

Niu et co. ont également rapporté les changements morphologiques lors de l'utilisation de la technique solvothermique [64]. Loumagne et ses collaborateurs [65] ont témoigné des possessions physico-chimiques de gisements à base de SiC, obtenues via la décomposition thermique du CH3SiCl3 dans l'hydrogène. Kelly et son groupe [66] ont rapporté la synthèse de TaC en utilisant des réactifs chlorure de tantale (V) et carbone mélangés sous une boîte à gants remplie d'argon par le biais du processus thermique. Successivement, la méthode de condensation thermique, qui consiste principalement en un système d'heptazine aromatique conjuguée avec des caractéristiques d'assemblage graphitique, a été utilisée à plusieurs reprises pour préparer g-C₃ N₄ [36]. L'utilisation de la technique solvothermique pour g-C₃ N₄ la synthèse a de grandes rémunérations telles que la formation de particules uniformes et fines, une faible consommation d'énergie et une faisabilité économique plus élevée par rapport à la méthode de condensation thermique obsolète. A l'inverse, ces méthodes sont encore chronophages, exigeant dans une certaine mesure quelques heures pour achever la formation et la cristallisation des particules.

Dépôt chimique en phase vapeur

Une enquête menée par Roberto et ses collègues [60] a suggéré que l'utilisation du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour la synthèse du nitrure de carbone graphitique par la réaction entre la mélamine et l'acide urique a une activité photocatalytique élevée. Il a été constaté que le nitrure de carbone graphitique formé avait une structure à base de blocs d'heptazine.

Roberto et ses collègues ont ensuite suggéré que la nature de ces nitrures de carbone révélait une forme irrégulière (Fig. 7), une cristallinité et une texture nanométrique. Kelly et al. [66] ont rapporté la synthèse de TaC en utilisant des réactifs chlorure de tantale (V) et carbone mélangés sous une boîte à gants remplie d'argon via une technique thermique et plus tard transformés en nanoparticules de TaC via une technique chimique. La CVD est l'une des méthodes les plus utiles pour préparer du graphène monocouche de haute qualité structurelle à utiliser dans différents dispositifs pour les activités catalytiques [67]. Wang et son groupe [26, 32] ont obtenu des films CN푥 sur substrat Ni en utilisant d'abord la méthode HFCVD. Parce que la préparation de ces films est plus susceptible de produire une liaison C-H et N-H dans les conditions CVD, la plupart des films CN푥 sont amorphes. D'après les études précédentes, les procédures CVD sont utilisées pour préparer les nitrures de carbone, le choix des matériaux de substrat est très critique à considérer. Des échantillons de grande surface peuvent être préparés en exposant un métal à différents précurseurs d'hydrocarbures à des températures élevées. Il existe différents types de méthodes CVD disponibles, telles que la CVD assistée par plasma, la CVD thermique et la CVD à paroi chaude/froide. Les méthodes CVD consistent principalement en la résonance cyclotron électronique, la décharge luminescente à courant continu assistée par filament chaud, la décharge radiofréquence et le dépôt chimique en phase vapeur par plasma micro-ondes. Le biais du dépôt chimique en phase vapeur auxiliaire à filament chaud (HFCVD) est l'un des outils locaux utilisés dans le dépôt de films de diamant et autres. Le mécanisme exact de la formation du graphène dépend du substrat de croissance mais débute généralement avec la croissance d'atomes de carbone qui nucléent sur le métal après la décomposition des hydrocarbures, et les noyaux se développent ensuite dans de grands domaines [68]. Récemment, le graphène monocouche de haute qualité produit à l'aide d'un CVD à paroi froide à chauffage résistif était également 100 fois plus rapide que le CVD conventionnel.

Synthèse Sol-Gel

La technique de synthèse sol-gel est un processus par lequel un produit solide ou un nanomatériau est formé à partir d'une solution après la transformation de l'intermédiaire de gel. Dans cette méthode de synthèse, les réactifs sont mélangés au niveau moléculaire permettant des réactions rapides et conduisent à des produits plus homogènes avec une surface spécifique plus élevée. Remarquablement, cette technique a été utilisée pour synthétiser différents types de nanoparticules, notamment des procédés de carbure métallique et de nitrure pour la photocatalyse [69]. La synthèse de nitrure métallique à l'aide de procédés sol-gel peut être attribuée à l'utilisation de composés organo-métalliques (synthétisés à partir d'éléments métalliques et de dialkylamine) [70].

Chauffage par micro-ondes

Ces derniers temps, le chauffage par micro-ondes a été largement utilisé pour la préparation de produits chimiques fins et pharmaceutiques par rapport aux méthodes décrites ci-dessus, car il permet une plage de réaction complète et un temps de réaction court, qui sont appropriés pour la production à l'échelle industrielle [71]. Wang et ses collègues ont adopté une technique simple d'esprit pour synthétiser g-C₃ N₄ en utilisant un précurseur riche en azote bon marché/moins cher qui peut ensuite être actif comme photocatalyseur pour la génération de H₂ et O₂ sous irradiation de lumière visible pour leurs recherches. Le rayonnement micro-ondes accélère la réaction chimique et diminue l'énergie consommée, pénétrant par conséquent dans la cuve de réaction et mettant ouvertement de l'énergie à la disposition des réactifs et du solvant avec un taux de transfert de chaleur élevé. La technique de chauffage par micro-ondes est différente des techniques traditionnelles telles que les bains d'huile et les chambres de chauffage ; cette méthode est plus efficace et fiable. 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 N₄ using microwave-assisted polymerization recently. Dai and coworkers then found out that the g-C₃ N₄ sample achieved, showing submicrospheres and a high surface area of 90 m ² 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 N₄ 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 N₄ performed better in visible-light-responsive photocatalysis.

(un ) Thermal decomposition of uric acid to cyanuric acid; (b ) tautomers of uric acid; (c ) tautomers of cyanuric acid; (d ) schematic representation of a layer fragment of the adduct called melamine cyanurate

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 N₄ , the mass fraction of nitrogen is usually less than 40%. Conversely, to form 훽-C₃ N₄ , 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 N₄ on silicon substrate by using pulse laser evaporation C target, auxiliary deposition of atom nitrogen. Niu et al. 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 N₄ , 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 N₄ 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 N₄ 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 N₄ spheres and a high-throughput scheme. This proposed technique can be used to synthesize g-C₃ N₄ rods, and this is best for NADH regeneration (Fig. 10a–c) for successful production of energy and others.

Schematic drawing illustrating synthetic route (templating method) and the mechanism of charge separation and photocatalytic process over C3N4 and Ag@C3N4 photocatalysts under light irradiation. Reproduced with permission [124]. Copyright 2014 Elsevier.

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 N₄ 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-C₃ N₄ 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 N₄ nanosheets also determine the efficiency of the photocatalyst and its application in relation to wastewater treatment. Ultrathin g-C₃ N₄ nanosheets derived from bulk g-C₃ N₄ 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 N₄ [107,108,109,110,111,112].

SEM images of (a) ST, (b) thermal condensation (TC), and (c) Microwave assisted synthesis (MW) samples; (d) magnification of MW sample; Photocatalytic degradation of MO solution over MW, ST, TC C3N4, and Ag-TiO2 samples irradiated under visible light. In the experiment, a blank test was performed in which the solution was irradiated without adding a catalyst. Reproduced with permission [125]. Copyright 2017 Elsevier

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 N₄ , TiO₂ -, 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 N₄ 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 N₄ nano-material is a very essential candidate for biomedical and sensing applications. The application of g-C₃ N₄ 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-C₃ N₄ 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.

Conclusions

In conclusion, this mini review climaxes the current advances on the structure and preparation techniques of full-bodied g-C₃ N₄ nano-based material. Understandably, g-C₃ N₄ 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 N₄ 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 N₄ nano-based particle.

Abréviations

g-C₃ N₄ :

Graphite carbon nitride

TiO₂ :

Titanium oxide

ZnO :

Oxyde de zinc