nitruro de carbono grafítico

El nitruro de carbono grafítico (gC ₃ N ₄ ) es una familia de compuestos de nitruro de carbono con una fórmula general cercana a C ₃ N ₄ (aunque típicamente con cantidades de hidrógeno distintas de cero) y dos subestructuras principales basadas en unidades de heptazina y poli(triazina imida) que, dependiendo de las condiciones de reacción, exhiben diferentes grados de condensación , propiedades y reactividades .

El nitruro _de carbono grafítico se puede obtener mediante la polimerización de cianamida , diciandiamida o melamina . La primera estructura polimérica _C₃N₄ formada, denominada melón , con grupos amino colgantes, es un polímero altamente ordenado . La reacción posterior da lugar a _{especies C₃N₄} más condensadas y con menos defectos , basadas en unidades de tri-s-triazina ( C₆N₇ _{) como} bloques de construcción elementales. ^{[ 2 ]}

El nitruro de carbono grafítico también se puede preparar mediante electrodeposición sobre un sustrato de Si (100) a partir de una solución saturada de acetona de tricloruro de cianuro y melamina (relación = 1:1,5) a temperatura ambiente. ^{[ 3 ]}

También se pueden preparar nanocristalitos de nitruro de carbono grafítico bien cristalizados mediante reacción benceno-térmica entre C ₃ N ₃ Cl ₃ y NaNH ₂ a 180–220  °C durante 8–12 h. ^{[ 4 ]}

Recientemente, se ha descrito un nuevo método de síntesis de nitruros de carbono grafíticos mediante el calentamiento a 400-600  °C de una mezcla de melamina y ácido úrico en presencia de alúmina . La alúmina favoreció la deposición de las capas de nitruros de carbono grafíticos sobre la superficie expuesta. Este método puede asimilarse a una deposición química en fase vapor (CVD) in situ. ^{[ 5 ]}

_{La caracterización del gC₃N₄} cristalino se puede llevar a cabo identificando el anillo de triazina presente en los productos mediante mediciones de espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), espectros de fotoluminiscencia y espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) (picos en 800 ^cm⁻¹ , 1310 ^cm⁻¹ y 1610 ^cm⁻¹ ) . ^{[ 4 ]}   

Debido a las propiedades semiconductoras especiales de los nitruros de carbono, estos muestran una actividad catalítica inesperada para una variedad de reacciones, como la activación del benceno , las reacciones de trimerización y también la activación del dióxido de carbono ( fotosíntesis artificial ). ^{[ 2 ]}

El nitruro de carbono grafítico comercial está disponible bajo la marca Nicanite. En su forma grafítica de tamaño micrométrico, puede utilizarse para recubrimientos tribológicos , recubrimientos médicos biocompatibles, recubrimientos químicamente inertes, aislantes y soluciones de almacenamiento de energía . ^{[ 6 ]} Se informa que el nitruro de carbono grafítico es uno de los mejores materiales para el almacenamiento de hidrógeno. ^{[ 7 ] [ 8 ]} También puede utilizarse como soporte para nanopartículas catalíticas . ^{[ 1 ]}

Debido a sus propiedades (principalmente grandes brechas de banda ajustables y una eficiente intercalación de sales), los nitruros de carbono grafíticos están siendo investigados para una variedad de aplicaciones:

• Fotocatalizadores
  • Descomposición del agua en H ₂ y O ₂ ^{[ 9 ]}
  • Degradación de contaminantes
• Semiconductor de banda prohibida ancha ^{[ 10 ]}
• Catalizador y soporte heterogéneos
  • La notable resistencia de los nitruros de carbono, combinada con sus reactividades superficiales e intralaminares, los convierte en catalizadores potencialmente útiles que dependen de sus protones lábiles y funcionalidades de base de Lewis. Se pueden aprovechar modificaciones como el dopaje, la protonación y la funcionalización molecular para mejorar la selectividad y el rendimiento. ^{[ 11 ]}
  • Se están desarrollando catalizadores de nanopartículas soportados en gCN tanto para pilas de combustible de membrana de intercambio de protones como para electrolizadores de agua . ^{[ 10 ]}
  • A pesar de que el nitruro de carbono grafítico tiene algunas ventajas, como una banda prohibida suave (2,7 eV), absorción de luz visible y flexibilidad, todavía tiene limitaciones para aplicaciones prácticas debido a la baja eficiencia de utilización de la luz visible, alta tasa de recombinación de los portadores de carga fotogenerados, baja conductividad eléctrica y pequeña área superficial específica (<10 m ² g ⁻¹ ). ^{[ 12 ]} Para modificar estas deficiencias, uno de los enfoques más atractivos es el dopaje del nitruro de carbono grafítico con nanomateriales de carbono , como los nanotubos de carbono. Primero, los nanotubos de carbono tienen una gran área superficial específica, por lo que pueden proporcionar más sitios para separar los portadores de carga, luego disminuir la tasa de recombinación de los portadores de carga y más aumentar la actividad de la reacción de reducción. ^{[ 13 ]} Segundo, los nanotubos de carbono muestran una alta capacidad de conducción de electrones, lo que significa que pueden mejorar el nitruro de carbono grafítico con respuesta a la luz visible, separación y transferencia eficiente de portadores de carga, mejorando así sus propiedades electrónicas. ^{[ 14 ]} En tercer lugar, los nanotubos de carbono pueden considerarse un tipo de material semiconductor de banda estrecha, también conocido como fotosensibilizador, que puede extender el rango de absorción de luz del material fotocatalítico semiconductor, mejorando así su utilización de la luz visible. ^{[ 15 ]}
• Materiales para el almacenamiento de energía
  • Debido a que la intercalación de Li puede ocurrir en más sitios que en el grafito debido a los huecos dentro de la capa además de la intercalación entre capas, el gCN puede almacenar una gran cantidad de Li ^{[ 16 ]} lo que los hace potencialmente útiles para baterías recargables.

• nitruro de carbono beta