흑연질 탄소 질화물

흑연질 탄소 질화물(g-C3N4)은 질화 탄소 화합물군으로 일반적인 화학식은 C3N4에 가깝고(비록 일반적으로 소량의 수소가 포함되지만) 반응 조건에 따라 다양한 수준의 축합 반응, 특성 및 반응성을 보이는 헵타진 및 폴리(트리아진 이미드) 단위를 기반으로 하는 두 가지 주요 하위 구조를 가진다.

준비
흑연질 탄소 질화물은 사이안아마이드, 다이시안다이아마이드 또는 멜라민의 중합을 통해 제조할 수 있다. 최초로 형성된 폴리머 C3N4 구조인 멜론은 펜던트 아미노기를 가지는 고도로 정렬된 중합체이다. 추가 반응은 기본 빌딩 블록으로 트라이-s-트라이아진(C6N7) 단위를 기반으로 하는 더 응축되고 결함이 적은 C3N4 종으로 이어진다.

흑연질 탄소 질화물은 또한 실온에서 시아누르 트라이클로라이드와 멜라민(비율=1:1.5)의 포화 아세톤 용액에서 Si(100) 기판에 전기영동 증착을 통해 제조할 수 있다.

잘 결정화된 흑연질 탄소 질화물 나노결정은 또한 180–220 °C에서 8–12시간 동안 C3N3Cl3와 NaNH2 사이의 벤젠 열 반응을 통해 제조할 수 있다.

최근 알루미나 존재 하에 멜라민과 요산 혼합물을 400-600 °C로 가열하여 그래핀 질화 탄소를 합성하는 새로운 방법이 보고되었다. 알루미나는 노출된 표면에 흑연질 탄소 질화물 층의 증착을 촉진했다. 이 방법은 현장 화학기상증착(CVD)으로 동화될 수 있다.

 특성 규명 
결정질 g-C3N4의 특성 규명은 X선 광전자 분광법(XPS) 측정, 광발광 스펙트럼 및 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 스펙트럼(800 cm−1, 1310 cm−1 및 1610 cm−1에서 피크)을 통해 제품에 존재하는 트리아진 고리를 식별함으로써 수행할 수 있다.

 성질 
질화 탄소의 특수한 반도체 특성으로 인해, 벤젠 활성화, 삼량화 반응, 그리고 이산화 탄소 활성화(인공 광합성)와 같은 다양한 반응에 대해 예상치 못한 촉매 활성을 보인다.

 용도 
상업용 흑연질 탄소 질화물은 Nicanite라는 브랜드 이름으로 판매된다. 마이크론 크기의 그래핀 형태는 마찰학 코팅, 생체 적합 의료 코팅, 화학적으로 불활성인 코팅, 절연체 및 에너지 저장 솔루션에 사용될 수 있다. 그래핀 질화 탄소는 최고의 수소 저장 물질 중 하나로 보고된다. 또한 촉매 나노입자의 지지체로 사용될 수 있다.

 관심 분야 
흑연질 탄소 질화물은 특성(주로 넓고 조절 가능한 밴드 갭 및 효율적인 염의 층간 삽입) 때문에 다양한 응용 분야에서 연구되고 있다.
 광촉매
 물을 H2와 O2로 분해
 오염물질 분해
 넓은 밴드 갭 반도체
 불균일 촉매 및 지지체
 탄소 질화물의 상당한 탄력성과 표면 및 층내 반응성은 불안정한 양성자 및 루이스 염기 기능에 의존하는 잠재적으로 유용한 촉매를 만든다. 도핑, 양성자화 및 분자 기능화와 같은 변형은 선택성과 성능을 향상시키기 위해 활용될 수 있다.
 gCN에 지지된 나노입자 촉매는 양성자 교환막 연료전지 및 물 전기분해 장치 모두를 위해 개발 중이다.
 흑연질 탄소 질화물은 온화한 밴드 갭(2.7 eV), 가시광 흡수 및 유연성과 같은 일부 장점을 가지고 있음에도 불구하고, 가시광 활용 효율성 저하, 광 생성 전하 캐리어의 높은 재결합률, 낮은 전기 전도도 및 작은 비표면적(<10 m2g−1)으로 인해 실용적인 응용에 대한 한계를 여전히 가지고 있다.Niu P, Zhang L L, Liu G, Cheng H M et al. Graphene-Like Carbon Nitride Nanosheets for Improved Photocatalytic Activities[J]. Advanced Functional Materials, 2012, 22(22): 4763-4770. 이러한 단점을 개선하기 위한 가장 매력적인 접근법 중 하나는 탄소 나노튜브와 같은 탄소 나노재료로 그래핀 질화 탄소를 도핑하는 것이다. 첫째, 탄소 나노튜브는 넓은 비표면적을 가지므로 전하 캐리어를 분리할 더 많은 위치를 제공하여 전하 캐리어의 재결합률을 감소시키고 환원 반응의 활성을 더욱 증가시킬 수 있다.Zhang L Q, He X, Xu X W et al. Highly active TiO2/g-C3N4/G photocatalyst with extended spectralresponse towards selective reduction of nitrobenzene[J]. Applied Catalysis B: Environmental. 2017, 203:65-71. 둘째, 탄소 나노튜브는 높은 전자 전도 능력을 보여, 가시광 반응, 효율적인 전하 캐리어 분리 및 전달을 통해 그래핀 질화 탄소의 전자적 특성을 향상시킬 수 있다.Dong F, Li Y H, Wang Z Y, Ho W K et al. Enhanced visible light photocatalytic activity and oxidation ability ofporous graphene-like g-C3N4nanosheets via thermal exfoliation[J]. Applied Surface Science, 2015, 358: 393–403. 셋째, 탄소 나노튜브는 일종의 좁은 밴드 반도체 물질로 간주될 수 있으며, 광증감제로도 알려져 있어 반도체 광촉매 물질의 광 흡수 범위를 확장하여 가시광 활용도를 높일 수 있다.Mishra A K, Mamba G et al. Graphic carbon nitride nanocomposites: A new and exciting generation of visible light driven photocatalysts for environmental pollution remediation[J]. Applied Catalysis B, 2016, 21: 351-371.
 에너지 저장 재료
 리튬의 층간 삽입이 흑연보다 층간 공간 외에 층내 공극에도 발생할 수 있기 때문에, gCN은 많은 양의 리튬을 저장할 수 있어 리튬 이온 전지에 잠재적으로 유용하다.

 같이 보기 
 베타 질화 탄소

 각주 

분류:질화물
분류:촉매
분류:무기 탄소 화합물
분류:반도체 재료