Tổng Hợp Vật Liệu Composite G-C3N4 Ứng Dụng Trong Điện Hóa Và Quang Xúc Tác

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Tổng hợp vật liệu composite trên cơ sở g c3n4 ứng dụng trong điện hóa và quang xúc tác điểm cao, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• Tác giả: Đặng Thị Ngọc Hoa
• Người hướng dẫn: GS. Đinh Quang Khiếu
• Trường học: Đại học Huế
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Tổng Hợp Vật Liệu Composite G-C3N4 Ứng Dụng Trong Điện Hóa Và Quang Xúc Tác
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Huế

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Composite G C3N4 Giới Thiệu Chi Tiết

Vật liệu g-C3N4 (Graphitic carbon nitride) nổi lên như một ứng cử viên sáng giá trong lĩnh vực vật liệu chức năng. Cấu trúc tương tự graphite mang lại đặc tính độc đáo. Được tạo thành từ các đơn vị heptazine hoặc triazine, tùy thuộc vào phương pháp tổng hợp, g-C3N4 thể hiện khả năng dẫn điện, độ bền cơ học cao và năng lượng vùng cấm phù hợp. Điều này làm cho nó trở thành nền tảng lý tưởng để phát triển các vật liệu composite ứng dụng trong xúc tác và điện hóa. Các oxide kim loại được pha tạp vào g-C3N4 giúp tăng cường khả năng quang xúc tác và ngăn chặn sự kết tụ của các hạt nano oxide, đồng thời tăng cường khả năng chuyển electron.

1.1. Cấu Trúc Tinh Thể và Tính Chất Đặc Trưng của G C3N4

g-C3N4 là một dạng thù hình ổn định của carbon nitride, được nghiên cứu rộng rãi. Nó được tổng hợp lần đầu tiên bởi Berzelius và được Justus von Liebig đặt tên là melon. Liebig mô tả nhiều vật liệu C/N vô định hình thu được từ nhiệt phân thủy ngân (II) thiocyanate, bao gồm melamine, melam, melem và melon. Các nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc của các hợp chất này được Franklin thực hiện vào năm 1922, giới thiệu khái niệm carbonic nitride (C3N4). Pauling và Sturdivant (1937) đề xuất một đơn vị tri-s-triazine đồng phẳng làm mô hình cấu trúc cơ bản. Redemann và Lucas sau đó chỉ ra sự tương đồng giữa melon và graphite.

1.2. Các Phương Pháp Tổng Hợp G C3N4 Phổ Biến Hiện Nay

Việc tổng hợp g-C3N4 thường sử dụng các tiền chất giàu nitrogen như melamine, urea, thiourea và dicyandiamide thông qua quá trình nhiệt phân. Quá trình này đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và thời gian nung để đạt được cấu trúc và tính chất mong muốn. Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến độ kết tinh và diện tích bề mặt của vật liệu. Các phương pháp tổng hợp khác nhau sẽ cho ra g-C3N4 với các tính chất khác nhau, ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, g-C3N4 tổng hợp từ melamine thường có diện tích bề mặt lớn hơn so với urea.

II. Thách Thức Ứng Dụng Vật Liệu G C3N4 Trong Điện Hóa Xúc Tác

Mặc dù g-C3N4 hứa hẹn nhiều tiềm năng, nhưng vẫn còn tồn tại những thách thức cần vượt qua. Hiệu suất quang xúc tác của g-C3N4 nguyên chất còn hạn chế do tốc độ tái hợp electron-lỗ trống nhanh. Bên cạnh đó, khả năng dẫn điện thấp của g-C3N4 cũng là một rào cản đối với các ứng dụng điện hóa. Để cải thiện các tính chất này, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển vật liệu composite bằng cách kết hợp g-C3N4 với các vật liệu khác, chẳng hạn như oxide kim loại, vật liệu nano, và khung hữu cơ - kim loại (MOFs).

2.1. Hạn Chế Về Hiệu Suất Quang Xúc Tác và Điện Hóa của G C3N4

Một trong những hạn chế lớn nhất của g-C3N4 là hiệu suất lượng tử thấp do tốc độ tái hợp electron-lỗ trống cao. Điều này làm giảm số lượng các electron và lỗ trống có sẵn để tham gia vào phản ứng quang xúc tác. Khả năng dẫn điện tương đối kém của g-C3N4 cũng ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng điện hóa, đặc biệt là trong các phản ứng điện hóa đòi hỏi sự truyền electron hiệu quả. Cấu trúc lớp của g-C3N4 có thể gây khó khăn cho sự xâm nhập của các chất phản ứng.

2.2. Vấn Đề Ổn Định và Độ Bền Của Vật Liệu G C3N4

Trong một số điều kiện khắc nghiệt, g-C3N4 có thể bị phân hủy hoặc mất đi tính chất ban đầu. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng môi trường như xử lý nước, nơi vật liệu phải chịu đựng các điều kiện pH khác nhau, nhiệt độ cao và sự hiện diện của các chất oxy hóa. Cải thiện độ bền hóa học và nhiệt của g-C3N4 là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất lâu dài trong các ứng dụng thực tế. Việc tổng hợp vật liệu composite có thể giúp tăng cường độ bền của g-C3N4.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu Composite G C3N4 Hiệu Quả Nhất

Để giải quyết các thách thức trên, nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu composite dựa trên g-C3N4 đã được phát triển. Các phương pháp này bao gồm phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, và kỹ thuật lắng đọng hóa học. Mục tiêu là tạo ra các vật liệu composite với cấu trúc, thành phần và tính chất được kiểm soát chặt chẽ, từ đó tối ưu hóa hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể. Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phụ thuộc vào loại vật liệu được kết hợp với g-C3N4 và ứng dụng mong muốn.

3.1. Phương Pháp Thủy Nhiệt và Sol Gel Trong Tổng Hợp Composite G C3N4

Phương pháp thủy nhiệt sử dụng nhiệt độ và áp suất cao để thúc đẩy sự hình thành vật liệu composite. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình thái của các hạt nano, dẫn đến vật liệu composite có tính chất đồng nhất. Phương pháp sol-gel, mặt khác, sử dụng dung dịch tiền chất để tạo ra gel, sau đó được nung để tạo thành vật liệu composite. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, chi phí thấp và dễ dàng điều chỉnh thành phần.

3.2. Kỹ Thuật Lắng Đọng Hóa Học CVD và Các Phương Pháp Biến Tính Bề Mặt

Kỹ thuật lắng đọng hóa học (CVD) là một phương pháp tiên tiến cho phép tạo ra các lớp màng mỏng g-C3N4 trên các bề mặt khác nhau. CVD cho phép kiểm soát chính xác độ dày và thành phần của lớp màng, mở ra khả năng tạo ra các vật liệu composite với tính chất được thiết kế riêng. Các phương pháp biến tính bề mặt, như grafting và silan hóa, cũng được sử dụng để cải thiện sự tương thích giữa g-C3N4 và các vật liệu khác.

IV. Ứng Dụng Điện Hóa Vật Liệu G C3N4 Giải Pháp Mới Cho Ô Nhiễm

Vật liệu composite dựa trên g-C3N4 đã được chứng minh là có tiềm năng lớn trong các ứng dụng điện hóa, đặc biệt là trong lĩnh vực cảm biến và phản ứng điện hóa. Sự kết hợp giữa g-C3N4 và các vật liệu khác giúp tăng cường khả năng dẫn điện, diện tích bề mặt và tính xúc tác, từ đó cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện hóa. Ứng dụng nổi bật là xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là các chất khó phân hủy.

4.1. Cảm Biến Điện Hóa Dựa Trên Vật Liệu Composite G C3N4

Vật liệu composite chứa g-C3N4 được sử dụng rộng rãi trong việc phát triển các cảm biến điện hóa có độ nhạy cao để phát hiện các chất ô nhiễm, dược phẩm, và các phân tử sinh học. Diện tích bề mặt lớn và tính xúc tác của g-C3N4 giúp tăng cường sự hấp phụ và phản ứng của các chất phân tích trên bề mặt điện cực, dẫn đến tín hiệu điện hóa mạnh hơn và giới hạn phát hiện thấp hơn.

4.2. Điện Phân Quang Hóa và Phản Ứng Điện Hóa Xúc Tác

Vật liệu composite g-C3N4 đóng vai trò quan trọng trong điện phân quang hóa và phản ứng điện hóa xúc tác. Việc sử dụng ánh sáng để kích hoạt g-C3N4 giúp tăng cường hiệu suất của các phản ứng điện hóa, chẳng hạn như khử CO2 thành các sản phẩm có giá trị hoặc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Sự kết hợp giữa ánh sáng và điện giúp vượt qua các rào cản năng lượng và thúc đẩy các phản ứng diễn ra ở điều kiện nhẹ nhàng hơn.

V. Ứng Dụng Quang Xúc Tác Vật Liệu G C3N4 Bước Tiến Xử Lý Nước

Quang xúc tác sử dụng vật liệu composite g-C3N4 đang ngày càng được quan tâm như một giải pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường cho việc xử lý nước bị ô nhiễm. Vật liệu composite g-C3N4 có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và tạo ra các electron và lỗ trống, sau đó tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ thành các sản phẩm vô hại. Quá trình phân hủy quang hóa giúp loại bỏ các chất độc hại, mang lại nguồn nước sạch hơn.

5.1. Phân Hủy Các Chất Ô Nhiễm Hữu Cơ Dưới Ánh Sáng Khả Kiến

Vật liệu composite g-C3N4 có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt, cho phép phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng mặt trời. Điều này làm cho phương pháp quang xúc tác trở nên kinh tế và bền vững hơn so với các phương pháp khác đòi hỏi nguồn năng lượng bên ngoài. Các chất ô nhiễm hữu cơ phổ biến như thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, và dược phẩm có thể được phân hủy hiệu quả bằng vật liệu composite g-C3N4.

5.2. Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước Thải Công Nghiệp và Nước Sinh Hoạt

Vật liệu composite g-C3N4 có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải công nghiệp và nước sinh hoạt. Chúng có thể được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm khó phân hủy, như thuốc nhuộm, dược phẩm, và các chất gây rối loạn nội tiết. Việc tích hợp vật liệu composite g-C3N4 vào các hệ thống xử lý nước hiện có có thể giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Vật Liệu Composite G C3N4

Vật liệu composite dựa trên g-C3N4 đã chứng minh tiềm năng to lớn trong cả điện hóa và quang xúc tác. Sự kết hợp của g-C3N4 với các vật liệu khác cho phép vượt qua các hạn chế của g-C3N4 nguyên chất và tạo ra các vật liệu có tính chất được điều chỉnh để phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp tiên tiến hơn, khám phá các ứng dụng mới và tối ưu hóa hiệu suất của vật liệu composite g-C3N4.

6.1. Tối Ưu Hóa Cấu Trúc và Thành Phần Vật Liệu Composite G C3N4

Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và thành phần của vật liệu composite g-C3N4 để cải thiện hiệu suất của chúng. Điều này bao gồm việc điều chỉnh kích thước hạt, hình thái, diện tích bề mặt, và sự phân bố của các thành phần khác nhau trong vật liệu composite. Sử dụng các kỹ thuật mô phỏng máy tính để dự đoán tính chất và tối ưu hóa cấu trúc vật liệu cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn.

6.2. Mở Rộng Ứng Dụng Vật Liệu Composite G C3N4 Trong Năng Lượng Môi Trường

Ngoài các ứng dụng hiện tại trong cảm biến, điện phân quang hóa, và xử lý nước, vật liệu composite g-C3N4 có tiềm năng lớn trong các lĩnh vực khác như năng lượng tái tạo (ví dụ, pin mặt trời) và lưu trữ năng lượng (ví dụ, siêu tụ điện). Nghiên cứu về các ứng dụng mới này sẽ giúp khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu composite g-C3N4 và đóng góp vào sự phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU g-C3N4 1. Tính chất về cấu trúc tinh thể Graphite carbon nitride hay là carbon nitride dạng graphite (g-C3N4) là dạng thù hình ổn định nhất và là đối tượng của nhiều nghiên cứu trong những năm gần đây. g-C3N4 đầu tiên được tổng hợp bởi Berzelius và được ustus von Liebig đặt tên là melon.

Liebig đã mô tả một số vật liệu C vô định hình mà ông thu được thông qua nhiệt phân thủy ngân ( ) thiocyanate và đặt tên là melamine, melam, melem và melon với việc gia tăng nhiệt độ (Hình 1.1) [27] Melamine Melam Melem Melon Melon H nh 1. Một số vật liệ C/N vô đ nh h nh do Lie ig mô tả [27]. Những hiểu biết sâu hơn về cấu trúc của các hợp chất này sau đó được ranklin mô tả đầu tiên vào năm 1 22. Ông đã giới thiệu khái niệm về carbonic nitride (C3N4) và đề xuất rằng C3N4 có thể thu được như là sản phẩm khử độc tố cuối cùng của dãy ammono carbonic acid [52].

Vào năm 1 7, Pauling và Sturdivant đã đề xuất một đơn vị tri-s-triazine đồng phẳng làm mô hình cấu trúc cơ bản của các hợp chất cao phân tử loại này [139]. Sau đó, Redemann và Lucas chỉ ra rằng có sự tương đồng về mặt cấu tạo giữa melon và graphite. Họ suy luận rằng carbonic nitride của ranklin có thể được mô tả như một sản phẩm ngưng tụ oligomer của 2,5,8-triamino-tris-s-triazine (C126H21N175) [146]. Trên cơ sở những kết luận này, người ta nói rằng có lẽ không nên chỉ định một cấu trúc duy nhất cho 5 melon vì nhiều khả năng nó là hỗn hợp của các polymer có kích thước và cấu trúc khác nhau.

Việc đánh giá về cấu trúc của g-C3N4 để từ đó đưa ra các chiến lược tổng hợp và xác định các đặc tính của g-C3N4 là một nhiệm vụ cần thiết. Các đánh giá về cấu trúc của carbon nitride đã được đưa ra gần đây bởi Kroke [94], Thomas A [172], Semencha A V [153]…Do thiếu dữ liệu thực nghiệm nên có một cuộc thảo luận sôi nổi về sự tồn tại thực tế của vật liệu graphite với thành phần C3N4 lý tưởng và các mô hình cấu trúc có thể có của g-C3N4. Dựa trên cấu trúc của graphite, triazine (C3N3) được coi là các khối đơn vị cơ bản của g-C3N4 (Hình 1. Tuy nhiên, một đơn vị cấu trúc khác là vòng tri-s-triazine (heptazine) (C6N7), có cấu trúc liên quan đến melon [52], [137] đã được chứng minh là tương thích năng lượng đối với việc biến tính dựa trên triazine [152].

Nó đã được chứng minh bằng thực nghiệm và lý thuyết rằng g-C3N4 dựa trên tri-s-triazine ổn định về mặt năng lượng (30 kJ mol-1) hơn so với g-C3N4 dựa trên triazine. Cấu trúc vòng tri-s-triazine và độ ngưng tụ cao làm cho polymer có độ ổn định cao về nhiệt (lên đến 6 °C trong không khí), tác động hóa học (ví dụ: acid, base và dung môi hữu cơ) và có một cấu trúc điện tử hấp dẫn với vùng cấm trung bình [168], [191]. Các vòng tri-s-triazine này được hình thành từ các nguyên tử N liên kết ba (Hình 1. Giản đồ XRD của các loại g-C3N4 (dạng khối) có hai đỉnh nhiễu xạ riêng biệt tại 27,4o và 1 , o tương ứng với mặt ( 2) và (1 ) đối với vật liệu graphite (JCPDS 87-1526) [191].

Các kết quả XRD chỉ ra rằng g-C3N4 có cấu trúc lớp với 6 khoảng cách xếp chồng giữa các mặt phẳng là 3,25 Å tương ứng nhiễu xạ (002), tương tự như của graphite với khoảng cách xếp chồng là 3,4 Å [28]. Khoảng cách 6,81 Å đối với kiểu đóng gói cấu trúc trong mặt phẳng nhỏ hơn so với khoảng cách của các đơn vị tri-s-triazine (7,3 Å), có thể là do sự uốn cong của cấu trúc 2D phân lớp [191]. Tuy nhiên, g-C3N4 dạng ống với đỉnh nhiễu xạ XRD đặc trưng ở 17,4o (d = 4,9 Å) cho thấy sự hình thành của các đơn vị s-triazine trong g-C3N4 [55] (giá trị lý thuyết của d 4,7 Å [170]). Do đó, các đơn vị cơ bản chính xác trong mỗi lớp của g-C3N4 có thể dễ dàng được xác định bởi giản đồ XRD liên quan với kiểu đóng gói cấu trúc trong mạng lưới.

gười ta đã biết rằng một loạt các khuyết tật trên bề mặt vật liệu polymer g- C3N4 dẫn đến sự hình thành nhiều chức năng khác nhau. Thông thường, các nhóm amin bậc 1, bậc 2 (ví dụ, CNH2 và C2 H) cuối mạch trong cấu trúc đơn lớp của g- C3N4 (Hình 1.4) có thể được tạo ra bởi một lượng nhỏ tạp chất H do sự trùng ngưng không hoàn toàn [237]. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi các vật liệu g-C3N4 có khuyết tật bề mặt và các đặc tính giàu electron đồng thời thể hiện đặc tính nucleophile (phản ứng với CO2) hay tính base và các liên kết H (Hình 1. Điều này tạo điều kiện thuận lợi hơn so với g-C3N4 lý tưởng và không có khuyết tật trong 7 các ứng dụng về xúc tác 1 1.

Hơn nữa, có thể dễ dàng hiểu rằng các nhóm cơ bản (-NH-, -N=, -NH2 và –N-C ) trên bề mặt của g-C3N4 là có ích cho việc loại bỏ các phân tử độc hại có tính acid thông qua quá trình hấp thụ hóa học dựa trên tương tác tĩnh điện [66]. Tương tự như bản chất kỵ nước của bề mặt nanocarbon, tính kỵ nước của g-C3N4 có thể dẫn đến sự hình thành tương tác yếu của lớp phân cách, do đó hạn chế đáng kể sự vận chuyển và tách electron và các phản ứng xúc tác điện tử bề mặt [234]. Tính chất electron Base Bronsted Liên kết H Base Lewis H nh 1. Các đặc tính mặt đa chức năng c a g-C3N4 khuyết tật [237].

Các nhóm chức và mạng lưới tinh thể của g-C3N4 có thể được xác định bằng các kỹ thuật như FTIR, XPS, phổ Raman và phân tích chuẩn độ Boehm. Phổ S độ ph n giải cao c a C 1s (A) c a rGO/g-C3N4 (a); O ( ) và N 1s (B) c a rGO/g-C3N4 [198]. 8 Đỉnh 288,2 eV trong phổ C1s của rGO/g-C3N4 (GO: graphene oxide; rGO: reduced graphene oxide) chỉ ra sự tồn tại của liên kết C-N2 [198]. Trong phổ N 1s, năng lượng liên kết ở khoảng 8,6 ,8 và 4 1, eV có thể được gán tương ứng là N sp2 (C=N-C), nitrogen bậc ba (N(C)3) và nhóm chức amin có 1 nguyên tử hydrogen (C-N-H) [198], [26].

Đối với phân tích chuẩn độ Boehm, người ta thấy rằng hàm lượng của nhóm chức cơ bản trên một đơn vị diện tích của g-C3N4 thường giảm khi tăng nhiệt độ nung [206]. Các đặc trưng chính của phổ FTIR được quan sát thấy trong vùng từ đến 1700 cm-1 thường được gán cho dao động hóa trị của các đơn vị lặp lại có nguồn gốc từ vòng thơm heptazine, bao gồm các dao động hóa trị Csp2 trong C điển hình và dao động biến dạng ngoài mặt phẳng của các sợi Csp3 trong C-N [37], [221], đỉnh hấp thụ sắc nét ở 810 cm-1 được cho là kiểu biến dạng đặc trưng của các vòng tri-s-triazine [198], [221]. Trong khi đó, đỉnh hấp thụ ở 883 cm-1 là của N-H trong các nhóm amin [42], trong khi vùng mở rộng giữa 3000 và cm-1 tương ứng liên quan đến dao động hóa trị của liên kết N-H tự do trong nhóm C- H-C và nhóm O-H có nguồn gốc từ nước hấp phụ vật lý trên bề mặt g- C3N4 [42], [198], [235]. Phổ Raman có một số đỉnh đặc trưng của g-C3N4 tại 1616, 1 , 1481, 12 4, 7 1, 7 , 4 và 47 cm-1, tiếp tục xác định của các dị vòng C [84].

Đỉnh ở 1234 cm-1 tương ứng với dao động biến dạng N=C (sp2), đặc trưng cho sự dịch chuyển màu xanh lam (12 cm-1 đối với g-C3N4 đơn lớp), do hiệu ứng kết nối phonon và hiệu ứng kết nối lượng tử mạnh [84]. Cấu trúc dải điện tử phù hợp của g-C3N4 làm cho nó trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời như tế bào quang điện [225]. Thật vậy, dòng quang điện được quan sát thấy trong trường hợp g-C3N4 dạng khối dưới ánh sáng khả kiến (λ > 42 nm) [225], [219]. Tính ổn định nhiệt và hóa học cao của carbon nitride cho phép hoạt động của một tế bào carbon nitride quang điện hóa trong điều kiện oxygen không khí.

goài ra, cấu trúc dải điện tử của g-C3N4 có thể được điều chỉnh tốt và cải thiện dòng quang điện bằng cách biến tính hình thái nano hoặc pha tạp. Cấ trúc dải điện tử c a g-C3N4 và titanium dioxide (TiO2) [189]. Carbon nitride mao quản trung bình (mpg-C3N4) có thể tăng cường khả năng hấp thu ánh sáng do bề mặt lớn và hiệu ứng đa tán xạ, do đó làm tăng dòng quang điện. Các biến tính khác bao gồm pha tạp và proton hóa cũng có thể làm tăng dòng quang điện [192], [219].6 mô tả vị trí của VB và CB của mpg-C3N4 so với chuẩn xúc tác quang TiO2.

hận thấy mpg-C3N4 có thế oxy hóa - khử thấp hơn so với thế oxy hóa - khử của H2O. hư vậy, về mặt nguyên tắc, mpg-C3N4 có thể giải phóng oxygen và hydrogen từ nước. Để có cái nhìn sâu sắc về cấu trúc điện tử, các tính toán hàm dựa vào lý thuyết phiếm hàm mật độ (D T) đã được áp dụng để thu được các mức oxy hóa - khử chi tiết của các VB và CB. Các kết quả trong Hình 1.7 đã chứng minh rằng vùng cấm giữa orbital phân tử chiếm cao nhất (HOMO) và orbital phân tử không bị chiếm thấp nhất (LUMO) của phân tử melem, melon và g-C3N4 theo giả thuyết tương ứng là , 2,6 và 2,1 eV [191].

Cấ trúc điện tử c a g-C3N4. R ràng, năng lượng vùng cấm lý thuyết của melon cao phân tử rất gần với năng lượng vùng cấm trung bình đo được bằng thực nghiệm là 2,7 eV. Các khảo sát hàm sóng của VB (Hình 1.7b) và CB (Hình 1.7c) chủ yếu bắt nguồn từ các orbital pz của nitrogen và orbital pz carbon. Chúng đóng vai trò như các vị trí oxy hóa và khử cho các phản ứng tạo thành O2 và H2 [191].

Phương pháp tổng hợp g-C3N4 chỉ bao gồm hai nguyên tố có nhiều trên trái đất là C và với t lệ C và xấp xỉ là 4. Điều này có nghĩa là g-C3N4 dễ dàng được tổng hợp với chi phí rất thấp. g-C3N4 không hề độc hại với sinh vật cũng như môi trường. Việc hiểu biết 11 carbon nitride như một polymer phân tán cho phép người ta áp dụng các công cụ tổng hợp đa dạng, như đồng trùng hợp với các tecton tương tự nhau, thiết kế độ cong và cấu trúc nano hoặc tạo khuôn để thu được vật liệu có diện tích bề mặt cao.