Στην παρούσα Μεταπτυχιακή Εργασία, αναπτύχθηκαν φωτοκαταλύτες g-C₃N₄ - που είναι φυλλώδης πολυμερικός ημιαγωγός, αποτελούμενος από δομικές μονάδες επταζίνης- με μονήρη άτομα μετάλλου, Cu και Ni. Στόχος μας είναι η αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα CO₂, ο περιορισμός της συγκέντρωσής του στην ατμόσφαιρα και τελικά η αντιμετώπιση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Για την αναγωγή του CO₂ είναι απαραίτητοι σταθεροί, εκλεκτικοί φωτοκαταλύτες, που παράγουν με υψηλή απόδοση ενώσεις, με μεγάλη προστιθέμενη αξία ή καύσιμα - υδρογονάνθρακες μικρού ΜΒ. Το ενεργειακό χάσμα του του g-C₃N₄ (E_g ~2,7 eV), επιτρέπει την απορρόφηση ακτινοβολίας στο ορατό.

Μέχρι σήμερα κατά κύριο λόγο μελετήθηκαν φωτοκαταλύτες g-C₃N₄ με ευγενή μέταλλα, αλλά για λόγους περιβαλλοντικούς και οικονομικούς, το ενδιαφέρον στράφηκε και στα άλλα, συνηθέστερα στοιχεία μεταπτώσεως. Η παρασκευή  του συμπαγούς g-C₃N₄ έγινε με θερμική πολυσυμπύκνωση της μελαμίνης. Ακολούθησε χημική αποφλοίωση του BCN με πυκνό H₂SO₄, ώστε να μειωθεί ο αριθμός των στιβάδων του g-C₃N₄ και οι διαστάσεις τους να γίνουν μικρότερες, να αυξηθεί η ειδική επιφάνειά του και το μέγεθος των πόρων του για την απομακρυνθούν οι αέριοι ρύποι και επίσης να διευκολυνθεί η διάχυση φορτίου από και προς το φωτοκαταλύτη.

Με βάση το αποφλοιωμένο BCN συντέθηκαν τέσσερις μονομεταλλικοί καταλύτες ο CN-5Cu,, (που περιέχει 5%κβ Cu), ο CN-10Cu (που περιέχει 10%κβ Cu), ο CN-5Ni, (που περιέχει 5%κβ Ni), ο  CN-10Ni (που περιέχει 10%κβ Ni) και ένας διμεταλλικός ο CN-5Cu-5Ni (που περιέχει 5%κβ Cu και 5%κβ Ni). Ο χαρακτηρισμός τους έγινε με τις εξής τεχνικές: η δομή και μορφολογία με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), η χημική σύσταση με φασματοσκοπία υπέρυθρου με μετασχηματισμό Fourier (FT-IR) και με φασματοσκοπία Raman, οι οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες με φασματοσκοπία διάχυτης ανάκλασης ορατού και υπεριώδους (UV-Vis-DRS). Η φωτοκαλυτική τους δραστικότητα αξιολογήθηκε με προσομοιωμένη ακτινοβολία ηλιακού φωτός και με τη βοήθεια αέριου χρωματογράφου.

In this Master Thesis, grafitic carbon nitride photocatalysts (g-C₃N₄) with single metal atoms, Cu and Ni, were developed. g-C₃N₄ is a multi-layered polymeric semiconductor, consisting of heptazine structural units. Its energy band gap (E_g ~2.7 eV), is narrow and enables it to absorb in the visible region. Our intention is the solar driven carbon dioxide CO₂ reduction, in order to recycle CO₂, which is considered waste, in order to avoid harmful greenhouse gas emissions, that contribute to the climate change. The CO₂ reduction towards solar fuels and high added value compounds production requires selective and stable photocatalysts, that promote the efficiency of the reduction.

Artificial photocatalytic energy conversion is the best solution to major environmental issues as well as the energy crisis. Noble metals deposited on a g-C₃N₄ photocatalyst facilitate the separation of photo-generated charges and CO₂ photocatalytic reduction, but the exploration of more economic transition metal systems deserves thorough consideration. Fitsly, bulk g-C₃N₄ was derived through melamine thermal polycondensation. To reduce the number and size of g-C₃N₄ layers, to increase its specific surface area and to enhance its photocatalytic activity, it was chemically exfoliated by dense sulfuric acid solution.

Using exfoliated grafitic carbon nitride four monometallic catalysts, suitable for energy and environmental applications, were developed: CN-5Cu (containing 5 wt% Cu) CN-10Cu (containing 10 wt% Cu), CN-5Ni (containing 5 wt% Ni), CN-10Ni (containing 10 wt% Ni) and a bimetallic CN-5Cu-5Ni (containing 5 wt% Cu and 5 wt% Ni). They were characterized by the following techniques: their structure and morphology by X-ray diffraction (XRD), the chemical composition by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and Raman spectroscopy, the optical and electronic properties by ultraviolet–visible diffuse reflectance spectroscopy (UV-Vis-DRS). After simulated sunlight irradiation, gas chromatography was used to evaluate their photocatalytic performance. The results demonstrated that two of them, were efficient and selective CO₂ reduction photocatalysts.