Η αυξανόμενη συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα (CO₂) στην ατμόσφαιρα έχει οδηγήσει στην αναζήτηση βιώσιμων και αποδοτικών μεθόδων για τη μείωσή του. Η φωτοκατάλυση προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη λύση για τη μετατροπή του CO₂ σε πολύτιμες χημικές ενώσεις με τη χρήση ηλιακής ενέργειας. Το γραφιτικό νιτρίδιο του άνθρακα (g-C₃N₄) είναι ένας νέος πολυμερικός φωτοκαταλύτης κατάλληλος για αυτή την εφαρμογή, λόγω των εξαιρετικών ηλεκτρονικών και επιφανειακών του ιδιοτήτων.
Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η διερεύνηση των ιδιοτήτων και της απόδοσης του g-C₃N₄ ως φωτοκαταλύτη για την αναγωγή του CO₂ σε αλκοόλες όπως η αιθανόλη και η μεθανόλη. Η εργασία επικεντρώθηκε στους μηχανισμούς σύνθεσης του g-C₃N₄, τις μεθόδους χαρακτηρισμού του, τους μηχανισμούς της φωτοκαταλυτικής αναγωγής του CO₂ και τις στρατηγικές βελτιστοποίησης της απόδοσης.
Η παρούσα εργασία είναι βιβλιογραφική και βασίστηκε σε αναζήτηση και μελέτη της υπάρχουσας επιστημονικής βιβλιογραφίας σχετικά με το γραφιτικό νιτρίδιο του άνθρακα και τη χρήση του ως φωτοκαταλύτη για την αναγωγή του CO₂. Η αναζήτηση των σχετικών επιστημονικών άρθρων και μελετών πραγματοποιήθηκε μέσω διαδικτυακών βάσεων δεδομένων, όπως το Google Scholar, το PubMed, το ScienceDirect και άλλες έγκυρες επιστημονικές πηγές.
Για την αναζήτηση, χρησιμοποιήθηκαν λέξεις-κλειδιά όπως "g-C₃N₄", "photocatalysis", "CO₂ reduction", "heterojunction", "cocatalyst", "ethanol", "methanol", και "carbon nitride". Τα κριτήρια επιλογής των πηγών περιλάμβαναν τη δημοσίευση σε έγκυρα επιστημονικά περιοδικά, τη συνάφεια με το θέμα της εργασίας, και τη χρονική εγγύτητα των δημοσιεύσεων για την εξασφάλιση της επικαιρότητας των δεδομένων.
Η βιβλιογραφική ανασκόπηση ανέδειξε τη σημαντική δυναμική του γραφιτικού νιτριδίου του άνθρακα (g-C₃N₄) ως φωτοκαταλύτη για την αναγωγή του CO₂ σε αξιόλογες αλκοόλες, όπως η αιθανόλη και η μεθανόλη. Τα κύρια αποτελέσματα της έρευνας συνοψίζονται ως εξής:
Το g-C₃N₄ διαθέτει μια διακριτή στοιβαγμένη δομή, κατάλληλο ενεργειακό χάσμα και αποδεκτές ενεργειακές ζώνες για την προώθηση αποτελεσματικών φωτοχημικών διαδικασιών, καθιστώντας το έναν εξαιρετικά υποσχόμενο φωτοκαταλύτη. Παρά τις θετικές του ιδιότητες, το g-C₃N₄παρουσιάζει και σημαντικά μειονεκτήματα, όπως περιορισμένη επιφάνεια, υψηλή πιθανότητα επανασύνδεσης των ζευγών ηλεκτρονίων/οπών, έλλειψη ενεργών καταλυτικών θέσεων και περιορισμένη απορρόφηση του ηλιακού φωτός, που περιορίζουν την φωτοχημική του απόδοση και εφαρμογή.
Οι αδυναμίες του g-C₃N₄ μπορούν να μετριαστούν μέσω της τροποποίησης της μορφολογίας του, η οποία μπορεί να αυξήσει την επιφάνεια επαφής και να βελτιώσει τη διαχείριση των φορτίων. Διάφορες στρατηγικές έχουν προταθεί για τη βελτίωση της φωτοκαταλυτικής απόδοσης του g-C₃N₄, συμπεριλαμβανομένου του σχηματισμού ετεροεπαφών με άλλα υλικά, της τροποποίησης με μεταλλικά νανοσωματίδια (π.χ. Pt, Ag), της ντόπινγκ με μη μεταλλικά στοιχεία (π.χ. B, P, S) και της χρήσης συν-καταλυτών. Αυτές οι στρατηγικές στοχεύουν στη βελτίωση του διαχωρισμού φορτίων, στη διεύρυνση του φάσματος απορρόφησης του φωτός και στη δημιουργία περισσότερων ενεργών καταλυτικών θέσεων.
Η συνολική ανάλυση υπογραμμίζει την υψηλή δυναμική του g-C₃N₄ ως φωτοκαταλύτη για τη μετατροπή του CO₂ σε αλκοόλες προστιθέμενης αξίας, προσφέροντας μια ενθαρρυντική προοπτική για τη μελλοντική αντιμετώπιση των περιβαλλοντικών και ενεργειακών προκλήσεων. Παρά την ύπαρξη εμποδίων, όπως η περιορισμένη απορρόφηση του ηλιακού φωτός και η ανάγκη για βελτιωμένες μεθόδους σύνθεσης, οι επιφανειακές μετατροπές προσφέρουν αποτελεσματικές λύσεις για τη βελτίωση της απόδοσης και της βιωσιμότητας του g-C₃N₄.
Τα ευρήματα αυτά υποστηρίζουν την ανάγκη για συνεχείς έρευνες προκειμένου να αναπτυχθούν καινοτόμες τεχνολογίες που θα επιτρέψουν την πλήρη αξιοποίηση του δυναμικού του g-C₃N₄ στην αντιμετώπιση παγκόσμιων περιβαλλοντικών προκλήσεων. Μέσω της συνεργασίας μεταξύ επιστημόνων και της αξιοποίησης των προηγμένων τεχνολογιών, μπορούμε να καταλήξουμε σε ακόμη πιο αποδοτικές και οικονομικά αποδοτικές διαδικασίες για τη μετατροπή του CO₂ σε προϊόντα με υψηλή προστιθέμενη αξία.

The increasing concentration of carbon dioxide (CO₂) in the atmosphere has led to the search for sustainable and efficient methods to reduce it. Photocatalysis offers a promising solution for converting CO₂ into valuable chemical compounds using solar energy. Graphitic Carbon Nitride (g-C₃N₄) is a promising photocatalyst for this application, due to its excellent electronic and surface properties.
The aim of this work was to investigate the properties and performance of g-C₃N₄ as a photocatalyst for the reduction of CO₂ to alcohols such as ethanol and methanol. The work focused on the synthesis of g-C₃N₄, its characterization methods, the mechanisms of photocatalytic reduction of CO₂ and performance optimization strategies.
This work is bibliographical and has been based on a search and study of existing scientific literature on graphitic carbon nitride and its use as a photocatalyst for the reduction of CO₂. The search for relevant scientific articles and studies has been carried out through online databases such as Google Scholar, PubMed, ScienceDirect and other authoritative scientific sources.
Keywords like "g-C₃N₄", "photocatalysis", "CO₂ reduction", "heterojunction", "co-catalyst", "ethanol", "methanol", and "carbon nitride" were used for the search. The criteria for selecting the sources included publication in authoritative scientific journals, relevance to the subject of the work, and timeliness of the publications to ensure the timeliness of the data.
The literature review has highlighted the significant potential of g-C₃N₄ as a photocatalyst for the reduction of CO₂ to valuable alcohols such as ethanol and methanol. The main research results can be summarized as follows:
g-C₃N₄ has a distinct stacked structure, a suitable energy gap, and acceptable energy zones to promote effective photochemical processes, making it an extremely promising photocatalyst. Despite its positive properties, g-C₃N₄ also has significant drawbacks such as limited surface, high probability of reconnection of electron/hole pairs, lack of active catalytic positions and limited absorption of sunlight, which limit its photochemical performance and application.
The weaknesses of g-C₃N₄ can be mitigated by modifying its morphology, which can increase the contact surface and improve load management. Several strategies have been proposed to improve the photocatalytic performance of g-C₃N₄, including the formation of heterojunctions with other materials, modification with metal nanoparticles (e. Pt, Ag), doping with non-metallic elements (e.g. B, P, S) and co-catalyst use. These strategies aim at improving load separation, broadening the absorption spectrum of light and creating more active catalytic positions.
The overall analysis underlines the high potential of g-C₃N₄ as a photocatalyst for the conversion of CO₂ into added-value alcohols, offering an encouraging perspective for the future response to environmental and energy challenges. Despite the existence of barriers such as the limited absorption of sunlight and the need for improved compositional methods, surface modifications offer effective solutions to improve the efficiency and sustainability of g-C₃N₄.
These findings support the need for continuous research to develop innovative technologies that will allow the full exploitation of the potential of g-C₃N₄ in addressing global environmental challenges. Through cooperation between scientists and the use of advanced technologies, we can come up with even more efficient and cost-effective procedures for converting CO₂ into high-value-added products.