Ένα από τα κύρια προβλήματα που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα σήμερα είναι η κλιματική αλλαγή λόγω της συνεχώς αυξανόμενης παγκόσμιας ενεργειακής ζήτησης, η οποία σήμερα καλύπτεται από ορυκτά καύσιμα. Το υδρογόνο θεωρείται ως μία από τις σημαντικότερες ενεργειακές λύσεις του 21^ου αιώνα, η οποία είναι ικανή να καλύψει τις μελλοντικές ενεργειακές απατήσεις. Ωστόσο, για να μπορέσει το υδρογόνο να θεωρηθεί ένα καθαρό καύσιμο πρέπει και κατά τη διαδικασία παραγωγής του να χρησιμοποιούνται ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Κατά συνέπεια, τις τελευταίες δεκαετίες ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον έχει συγκεντρώσει η μέθοδος της φωτοκαταλυτικής διάσπασης του νερού.

Οι ετεροεπαφές ημιαγωγών έχουν απασχολήσει πολύ την επιστημονική κοινότητα λόγω της ικανότητας τους να μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε καύσιμο υδρογόνο. Η ορθολογική κατασκευή ετεροδομών με δύο ή περισσότερα ημιαγώγιμα υλικά είναι δυνατό να συνδυάσει τα πλεονεκτήματα των διαφορετικών συστατικών, να βελτιώσει τον φωτοεπαγόμενο διαχωρισμό φορέων φορτίων, να διευρύνει το φάσμα απορρόφησης του ορατού φωτός και να διατηρήσει την υψηλή ικανότητα οξειδοαναγωγής των φωτοκαταλυτών. Μάλιστα, οι σύγχρονες έρευνες για τον σχηματισμό ετεροδομών με βάση το g-C₃N₄ έχουν αποτελέσει το επίκεντρο χάρη στα πλεονεκτήματα που χαρακτηρίζουν αυτόν τον ημιαγωγό. Ενδεικτικά αναφέρονται η εύκολη σύνθεση, η υψηλή σταθερότητα, και οι μοναδικές ηλεκτροοπτικές του ιδιότητες.

Κατά συνέπεια, η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια βιβλιογραφική ανασκόπηση στα βασικά ζητήματα που αφορούν την φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού με χρήση το g-C₃N₄ ως καταλύτη. Παράλληλα μελετά και τους διαφορετικούς φωτοκαταλύτες που έχουν προταθεί στην διαθέσιμη βιβλιογραφία για τη δημιουργία ετεροσυνδέσεων με βάση το g-C₃N₄. Πιο αναλυτικά, περιγράφονται οι διάφοροι τύποι ετεροσυνδέσεων, όπως είναι οι ετεροσύνδεσεις τύπου II, σχήματος Z, ο νέος τύπος σχήματος S, η ετεροσύνδεση p-n, η Schottky καθώς και η ετεροσύνδεση του g-C₃N₄ με άλλα υλικά άνθρακα. Παρουσιάζονται επίσης, οι ειδικοί μηχανισμοί μεταφοράς φορτίων των ετεροσυνδέσεων με βάση το g-C₃N₄. Τέλος, αναφέρονται τα κρίσιμα ζητήματα τα οποία πρέπει να διερευνηθούν περαιτέρω για να βελτιστοποιηθεί τόσο η διεργασία της φωτοκατάλυσης με τους παραπάνω τρόπους, όσο και το κόστος αυτής.

Nowadays global awareness about climate change phenomenon is increasing while humanity is under the energy crisis and the threat of limiting fossil fuels. Therefore, transition into sustainable energy solutions is essential. In line with this, hydrogen is considered to be a plausible solution as it can be produced by renewable energy sources.

Photocatalytic water splitting is one of the most well-known green methods that can be used for producing hydrogen. The yield of the photocatalysis process can be significantly increased with the use of semiconductor heterojunction photocatalysts. In the last decade, this type of catalyst has been of increased interest due to its ability to convert solar energy into hydrogen fuel. The fabrication of heterostructures with two or more semiconductor materials can result in the efficient photogenerated separation of charge carriers. Also, it can increase the absorption of visible light as well as maintain the high redox ability of photocatalysts.

Upcoming research has focused its interest on the formation of heterostructures based on g-C₃N₄. The g-C₃N₄ is a semiconductor with many advantages for the photocatalytic process. Some of those are considered to be the easy composition, the high stability, and the unique optical and electronic properties. In line with this, this diploma thesis is a literature review on the basic issues regarding the photocatalytic splitting of water using g-C₃N₄ as a photocatalyst. The different photocatalysts that have been already used for the formation of heterojunctions based on g-C₃N₄ are also presented. Especially, type II heterojunction, Z-shaped heterojunction, new S type heterojunction, p-n heterojunction, Schottky heterojunction and heterojunction of g-C₃N₄ with other carbon materials are thoroughly investigated. Finally, the charge carriers transfer mechanisms of g-C₃N₄-based heterojunctions are studied and the critical instabilities of the process are highlighted to optimize both the efficiency and the cost of hydrogen production.