Η ενέργεια και τα περιβαλλοντικά προβλήματα, βρίσκονται στο προσκήνιο σε παγκόσμιο επίπεδο. Η εξάντληση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων, η έρευνα για καθαρές και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και η ανάπτυξη οικολογικά φιλικών και εφαρμόσιμων συστημάτων για περιβαλλοντική αποκατάσταση επισύρει σήμερα αυξημένη προσοχή. Τα φωτοκαταλυτικά συστήματα με ημιαγωγούς μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη διάσπαση του νερού σε Η2 και Ο2, στη φωτοαναγωγή του CO2 προς ανανεώσιμα καύσιμα όπως CH3OH, CH4 και CO2, και στην αποσύνθεση ποικίλων οργανικών ρύπων προς αποκατάσταση του περιβάλλοντος.
Ένα συναρπαστικό συζυγιακό πολυμερές, το γραφιτικό αζωτοκαρβίδιο (g-C3N4), έχει αναδειχθεί σε ένα νέο ερευνητικό hotspot, και συγκεντρώνει ευρεία διαθεματική προσοχή, ως μη μεταλλικός – ορατού φωτός απόκρισης φωτοκαταλύτης με εν δυνάμει συμβολή στην ενεργειακή μετατροπή και περιβαλλοντική αποκατάσταση. Αυτά οφείλονται στις ελκυστικές δομές ζωνών, στην υψηλή φυσικοχημική του σταθερότητα και στην φυσική Γαιο-αφθονία του. Η παρούσα διπλωματική εργασία, συνοψίζει τις τελευταίες προόδους που σχετίζονται με τη «σύνθεση και τις εφαρμογές των ετεροδομημένων φωτοκαταλυτών, βασισμένων στο g-C3N4.
Με βάση τους διαφορετικούς μηχανισμούς των φωτογεννούμενων φορέων φορτίου μεταξύ του g-C3N4 και των συζευγμένων συστατικών, οι g-C3N4-based ετεροδομημένοι φωτοκαταλύτες μπορούν να ταξινομηθούν στις ακόλουθες κατηγορίες: g-C3N4-based συμβατικού τύπου ΙΙ ετεροσύζευξης, g-C3N4-based Ζ scheme ετεροσύζευξης, g-C3N4-based p-n ετεροσύζευξης, g-C3N4/μετάλλου ετεροδομημένοι και g-C3N4/άνθρακα ετεροδομημένοι.
Η σύνθεση και τα χαρακτηριστικά κάθε κατηγορίας συστημάτων ετεροσύζευξης παρουσιάζονται αναλυτικά, ονομαζόμενα: μετάλλου-g-C3N4, ημιαγωγού-g-C3N4, ισοτύπου g-C3N4/g-C3N4, γραφιτικού άνθρακα-g-C3N4, αγώγιμου πολυμερούς-g-C3N4, φωτοευαισθητοποιητή-g-C3N4, and πολλαπλών συστατικών ετεροσυζεύξεις. Οι δομές ζώνης, οι ηλεκτρονικές ιδιότητες, η οπτική απορρόφηση, και η διεπιφανειακή μεταφορά φορτίου των διαφόρων g-C3N4-based ετεροδομημένων νανοϋβριδίων εξετάζονται θεωρητικά, με εμβάθυνση στη δυναμική μεταφοράς των φορέων φορτίου. Η εξελικτική ανάπτυξη των ευλύγιστων φωτο-οξειδοαναγωγικών εφαρμογών προς την τεχνητή φωτοσύνθεση (διάσπαση Η2Ο και φωτοκαθήλωση CO2), την περιβαλλοντική απορρύπανση, και βακτηριακή απολύμανση παρουσιάζεται κατά το δυνατόν λεπτομερειακά. Τέλος σκιαγραφούνται οι προσδοκίες και μελλοντικές προκλήσεις των εφαρμογών.
Energy and environmental issues are important topics on a global level. The depletion of fossil fuels and their environmental misdeeds, the exploration of renewable and clean energy of recourses and the development of eco-friendly practical systems for environmental remediation have been drawing increasing attention. Semiconductor photocatalyst systems can be used to split water into H2 and O2, to photo-reduce CO2 into renewable fuels such as CH3OH, CH4 and CO, and to decompose various organic contaminations to remedy the environment.
A fascinating conjugated polymer, graphitic carbon nitride (g-C3N4) has become a new research hotspot and drawn broad disciplinary attention as a metal-free and visible-light-responsive photocatalyst in the field of solar energy conversion and environmental remediation. This is due to its appealing electronic band structure, high physicochemical stability and “earth-abundant” nature. This diploma thesis summarizes the latest progress related to the construction and applications of hetero-conjugated photocatalysts, based on graphitic carbon nitride (g-C3N4).
According to the different transfer mechanisms of photogenerated charge carriers between g-C3N4 and the coupled components, the g-C3N4-based heterostructured
photocatalysts can be divided into the following categories: g-C3N4-based conventional type II heterojunction, g-C3N4-based Z-scheme heterojunction, g-C3N4-based p–n heterojunction, g-C3N4/metal heterostructure, and g-C3N4/carbon heterostructure. This review summarizes the recent significant progress on the design of g-C3N4-based heterostructured photocatalysts and their special separation/transfer mechanisms of photogenerated charge carriers.
Construction and characteristics of each classification of the heterojunction systems are reviewed, namely metal-g-C3N4, semiconductorg-C3N4, isotype g-C3N4/g-C3N4, graphitic carbon-g-C3N4, conducting polymer-g-C3N4, sensitizer-g-C3N4, and multicomponent heterojunctions. The band structures, electronic properties, optical absorption, and interfacial charge transfer of g-C3N4-based heterostructured nanohybrids will also be theoretically discussed and provide insightful outlooks on the charge carrier dynamics. The advancement of the versatile photoredox applications toward artificial photosynthesis (water splitting and photofixation of CO2), environmental decontamination, and bacteria disinfection are presented in detail. Last this comprehensive review concludes a summary and some invigorating perspectives on the challenges and future directions.
It is anticipated that this review summarises this new research doorway which facilitate the next generation of g- C3N4-based photocatalysts with ameliorated performances by harnessing the outstanding structural, electronic, and optical properties for the development of a sustainable future without environmental detriment.
