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

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g-C3N4, ứng dụng trong điện hóa và quang xúc tác, mở ra hướng đi mới cho công nghệ xanh.

• 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 hóa học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Huế

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Composite G C3N4 Tiềm Năng Ứng Dụng

Vật liệu composite G-C3N4 đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu, đặc biệt trong các ứng dụng liên quan đến điện hóa và quang xúc tác. G-C3N4, một loại vật liệu bán dẫn polyme, nổi bật với cấu trúc tương tự graphite, khả năng dẫn điện tiềm năng, độ bền cơ học cao và năng lượng vùng cấm hẹp. Những đặc tính này khiến nó trở thành nền tảng lý tưởng để tạo ra các vật liệu composite hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của G-C3N4 thông qua các phương pháp tổng hợp khác nhau để nâng cao hiệu suất của chúng trong các ứng dụng điện hóa và quang xúc tác.

1.1. Cấu Trúc và Tính Chất Đặc Trưng Của G C3N4

G-C3N4 sở hữu cấu trúc lớp tương tự như graphite, được tạo thành từ các đơn vị heptazine hoặc triazine liên kết với nhau. Cấu trúc này tạo ra một mạng lưới liên kết cộng hóa trị mở rộng, mang lại độ bền cơ học và ổn định nhiệt tốt. Năng lượng vùng cấm của G-C3N4 nằm trong khoảng 2.7 eV, cho phép nó hấp thụ ánh sáng nhìn thấy được, một yếu tố quan trọng cho các ứng dụng quang xúc tác. Theo một nghiên cứu, 'Vật liệu này có khả năng dẫn điện, độ bền cơ học cao và có năng lượng vùng cấm bé nên là chất làm nền lý tưởng để tạo ra các composite có khả năng ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác và điện hóa'.

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

Có nhiều phương pháp tổng hợp G-C3N4, bao gồm nhiệt phân các tiền chất giàu nitơ như melamine, urea, dicyandiamide. Điều kiện tổng hợp (nhiệt độ, thời gian, môi trường) có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và tính chất của sản phẩm. Một số phương pháp cải tiến còn sử dụng các chất phụ gia hoặc quy trình đặc biệt để kiểm soát kích thước hạt, diện tích bề mặt và độ xốp của G-C3N4, từ đó tối ưu hóa hiệu suất của nó trong các ứng dụng cụ thể. Phương pháp nhiệt phân melamine ở 520 °C trong 2 giờ được ghi nhận là một trong những phương pháp phổ biến.

II. Thách Thức Trong Ứng Dụng G C3N4 Và Hướng Giải Quyết

Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội, G-C3N4 nguyên chất vẫn gặp phải một số hạn chế trong ứng dụng thực tế. Hiệu suất quang xúc tác của nó thường bị giới hạn do tốc độ tái hợp electron-lỗ trống nhanh và diện tích bề mặt thấp. Ngoài ra, khả năng dẫn điện tương đối kém của G-C3N4 cũng là một trở ngại đối với các ứng dụng điện hóa. Để khắc phục những hạn chế này, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển các vật liệu composite dựa trên G-C3N4 kết hợp với các vật liệu khác như kim loại oxit, graphene, hoặc MOFs.

2.1. Tái Hợp Electron Lỗ Trống Nguyên Nhân và Giải Pháp

Sự tái hợp nhanh chóng của electron và lỗ trống là một trong những yếu tố chính làm giảm hiệu suất quang xúc tác của G-C3N4. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm pha tạp kim loại hoặc phi kim, tạo cấu trúc dị thể (heterostructure), hoặc kết hợp G-C3N4 với các vật liệu có khả năng vận chuyển electron tốt hơn. Các phương pháp này giúp tăng cường sự tách biệt của electron và lỗ trống, kéo dài tuổi thọ của chúng, và do đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

2.2. Diện Tích Bề Mặt Thấp Của G C3N4 Cải Thiện Bằng Phương Pháp Nào

Diện tích bề mặt thấp của G-C3N4 hạn chế số lượng vị trí hoạt động cho phản ứng quang xúc tác và điện hóa. Để tăng diện tích bề mặt, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp như tạo cấu trúc nano (nanosheets, nanotubes, nanorods), khắc axit, hoặc sử dụng các chất tạo khuôn. Việc tăng diện tích bề mặt không chỉ cải thiện khả năng hấp phụ chất phản ứng mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển chất phản ứng và sản phẩm.

2.3. Khả Năng Dẫn Điện Kém Tăng Cường Bằng Vật Liệu Dẫn Điện

Khả năng dẫn điện kém của G-C3N4 gây trở ngại trong các ứng dụng điện hóa. Việc kết hợp G-C3N4 với các vật liệu dẫn điện tốt như graphene, carbon nanotubes, hoặc kim loại oxit có thể cải thiện đáng kể khả năng dẫn điện của composite, từ đó nâng cao hiệu suất điện hóa. Ví dụ, graphene G-C3N4 composite được chứng minh là có khả năng dẫn điện và hiệu suất điện hóa tốt hơn so với G-C3N4 nguyên chất.

III. Tổng Hợp G C3N4 Với Kim Loại Oxit Giải Pháp Tối Ưu

Một trong những hướng nghiên cứu phổ biến nhất là tổng hợp G-C3N4 với các kim loại oxit, chẳng hạn như TiO2 G-C3N4 composite. Sự kết hợp này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tăng cường sự tách biệt electron-lỗ trống, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, và cải thiện độ bền hóa học. TiO2 là một chất bán dẫn quang xúc tác được nghiên cứu rộng rãi, nhưng nó chỉ hoạt động dưới ánh sáng tử ngoại. Việc kết hợp TiO2 với G-C3N4 giúp mở rộng vùng hoạt động sang ánh sáng nhìn thấy được, tận dụng tốt hơn năng lượng mặt trời.

3.1. Cơ Chế Tương Tác Giữa G C3N4 Và Kim Loại Oxit

Cơ chế tương tác giữa G-C3N4 và kim loại oxit trong composite rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm bản chất của kim loại oxit, tỷ lệ thành phần, và phương pháp tổng hợp. Thông thường, sự hình thành cấu trúc dị thể (heterostructure) giữa G-C3N4 và kim loại oxit tạo ra một điện trường nội tại, thúc đẩy sự tách biệt của electron và lỗ trống. Ngoài ra, kim loại oxit có thể đóng vai trò là chất mang electron, giúp vận chuyển electron từ G-C3N4 đến chất phản ứng một cách hiệu quả.

3.2. Ứng Dụng Xử Lý Nước Ô Nhiễm Bằng Composite G C3N4 Kim Loại Oxit

Composite G-C3N4/ kim loại oxit thể hiện tiềm năng lớn trong việc ứng dụng xử lý nước ô nhiễm. Chúng có thể được sử dụng để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, và dược phẩm thông qua quá trình quang xúc tác. Ánh sáng mặt trời hoặc đèn chiếu sáng có thể kích hoạt composite, tạo ra các gốc tự do oxy hóa mạnh mẽ, phân hủy các chất ô nhiễm thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O. Nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu composite này có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ.

3.3. Phương Pháp Tăng Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Composite

Để tối ưu hóa hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composite, các phương pháp như điều chỉnh tỷ lệ thành phần, kiểm soát kích thước và hình dạng của cấu trúc nano, và tối ưu hóa cấu trúc dị thể có thể được áp dụng. Ngoài ra, việc thêm các chất pha tạp hoặc sử dụng các phương pháp biến tính bề mặt cũng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của vật liệu composite. Cấu trúc và hình dạng nano của composite đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hoạt tính xúc tác.

IV. Vật Liệu Composite G C3N4 Trong Điện Hóa Bước Tiến Mới

Ngoài ứng dụng quang xúc tác, vật liệu composite G-C3N4 cũng đang được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực điện hóa. Khả năng dẫn điện và diện tích bề mặt lớn của G-C3N4 tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các điện cực hiệu suất cao cho các ứng dụng như cảm biến, pin nhiên liệu, và điện phân. Việc kết hợp G-C3N4 với các vật liệu khác như kim loại, kim loại oxit, hoặc MOFs có thể cải thiện đáng kể tính chất điện hóa của composite.

4.1. Ứng Dụng Cảm Biến Điện Hóa Sử Dụng Composite G C3N4

Composite G-C3N4 được sử dụng để chế tạo các ứng dụng cảm biến điện hóa có độ nhạy và độ chọn lọc cao đối với nhiều chất phân tích khác nhau, bao gồm ion kim loại nặng, chất hữu cơ độc hại, và các phân tử sinh học. Bằng cách biến tính điện cực với composite G-C3N4, các nhà nghiên cứu có thể tăng cường khả năng hấp phụ và oxy hóa-khử của chất phân tích, từ đó cải thiện hiệu suất của cảm biến. Các cảm biến này có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như giám sát môi trường, an toàn thực phẩm, và chẩn đoán y tế.

4.2. Tổng Hợp G C3N4 Với MOFs Giải Pháp Mới Cho Điện Hóa

Sự kết hợp G-C3N4 với Khung hữu cơ kim loại (MOFs) cho phép tận dụng cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn của MOFs để tăng số lượng vị trí hoạt động và khả năng vận chuyển chất phản ứng, đồng thời cải thiện khả năng dẫn điện của G-C3N4. Vật liệu MOFs G-C3N4 có tiềm năng lớn trong các ứng dụng như điện phân nước, pin nhiên liệu, và siêu tụ điện.

V. Nghiên Cứu Ứng Dụng Vật Liệu G C3N4 Phân Hủy Chất Ô Nhiễm

Nghiên cứu ứng dụng về vật liệu G-C3N4 và composite của nó đã chứng minh khả năng đáng kể trong việc phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ trong nước. Vật liệu này có thể được kích hoạt bằng ánh sáng nhìn thấy, biến nó thành một lựa chọn thân thiện với môi trường và hiệu quả năng lượng để xử lý nước ô nhiễm. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm xử lý nước thải công nghiệp, làm sạch nước uống và loại bỏ các chất ô nhiễm tồn tại trong môi trường.

5.1. Cơ Chế Phân Hủy Chất Ô Nhiễm Bằng Vật Liệu G C3N4

Cơ chế phân hủy chất ô nhiễm bằng vật liệu G-C3N4 và composite của nó liên quan đến việc tạo ra các gốc tự do oxy hóa mạnh mẽ (như gốc hydroxyl, superoxide) khi vật liệu được kích hoạt bằng ánh sáng. Các gốc này tấn công các phân tử ô nhiễm hữu cơ, phá vỡ chúng thành các phân tử nhỏ hơn và cuối cùng là CO2 và H2O. Hiệu quả của quá trình phân hủy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cường độ ánh sáng, pH, nhiệt độ và sự hiện diện của các chất cản trở.

5.2. Ứng Dụng Sản Xuất Hydro Từ Nước Bằng Vật Liệu G C3N4

Ngoài việc phân hủy chất ô nhiễm, vật liệu G-C3N4 còn có tiềm năng trong việc ứng dụng sản xuất hydro từ nước bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời. Quá trình này liên quan đến việc sử dụng G-C3N4 hoặc composite của nó như một chất quang xúc tác để phân tách nước thành hydro và oxy. Hydro là một nguồn năng lượng sạch và bền vững, và việc phát triển các phương pháp sản xuất hydro hiệu quả là rất quan trọng cho tương lai năng lượng.

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

Vật liệu composite G-C3N4 đã chứng minh tiềm năng to lớn trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là điện hóa và quang xúc tác. Mặc dù đã có nhiều tiến bộ đáng kể, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để thương mại hóa các ứng dụng này. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn, tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của composite, và mở rộng phạm vi ứng dụng của G-C3N4 trong các lĩnh vực mới.

6.1. Tối Ưu Hóa Phương Pháp Tổng Hợp G C3N4 Trong Tương Lai

Việc phát triển các phương pháp tổng hợp G-C3N4 quy mô lớn, chi phí thấp và thân thiện với môi trường là rất quan trọng để thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi vật liệu này. Các phương pháp tổng hợp mới nên tập trung vào việc kiểm soát chặt chẽ kích thước hạt, diện tích bề mặt, độ xốp và cấu trúc tinh thể của G-C3N4, từ đó tối ưu hóa hiệu suất của nó trong các ứng dụng khác nhau. Cần tập trung vào các phương pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường.

6.2. Nghiên Cứu Mở Rộng Ứng Dụng Của Vật Liệu G C3N4

Ngoài các ứng dụng điện hóa và quang xúc tác truyền thống, vật liệu G-C3N4 còn có tiềm năng trong nhiều lĩnh vực mới như lưu trữ năng lượng, y sinh, và điện tử. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc khám phá các ứng dụng mới của G-C3N4 và phát triển các composite có tính chất đặc biệt phù hợp với các ứng dụng này.

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 (LUAN.tac an tien si luan an tien si1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gm (LUAN.tac 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 (LUAN.tac an tien si luan an tien si1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gm (LUAN.tac 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 (LUAN.tac an tien si luan an tien si1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gm (LUAN.tac 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].tac an tien si luan an tien si1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gm (LUAN.tac 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.tac an tien si luan an tien si1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gm (LUAN.

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].tac an tien si luan an tien si1 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gm (LUAN. 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.