Dựa trên cơ chế phản ứng, có thể thấy rằng năng lượng vùng cấm và cấu trúc nano ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất phản ứng. g-C3N4 có năng lượng vùng cấm mức trung bình 2.7 eV, tương đương với bước sóng ánh sáng 460nm, điều này khiến cho carbon nitride hoạt động ở ánh sáng nhìn thấy. Quan trọng hơn, g-C3N4 còn có vị trí vùng dẫn thích hợp cho nhiều phản ứng khử. Từ hình 1.2.3-1 thấy, vị trí vùng dẫn của g-C3N4 bé hơn so với các chất bán dẫn vô cơ khác cho biết rằng electron sinh ra từ g-C3N4 có nhiệt động lực học lớn, thúc đẩy sự khử rất nhiều những phân tử bé, ví dụ H2, CO2, O2. Vì vậy, năng lượng vùng cấm của carbon nitride rất phù hợp để ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như là phân tách nước, khử CO2, phân hủy chất ô nhiễm, tổng hợp hữu cơ, …
Ngoài việc g-C3N4 có một mức năng lượng vùng cấm rất thích hợp, nó còn được biết đến vì g-C3N4 là vật chất hữu cơ phi kim loại có cấu trúc 2D gồm các lớp C và N xếp chồng lên nhau, ràng buộc bởi lực Van der Waals. g-C3N4 chỉ bao gồm 2 nguyên tố có rất nhiều trên Trái Đất là C và N, với tỷ lệ C/N xấp xỉ ¾, điều đó có nghĩa là carbon nitride dễ dàng được tổng hợp với mức chi phí rất thấp. Đã có nghiên cứu chỉ ra rằng, g-C3N4 có khả năng tương thích sinh học và không hề độc hại với sinh vật cũng như môi trường. Các tế bào Hela có thể hoạt động và duy trì trong dung dịch nước của g-C3N4 nanosheets với nồng độ lên tới 600mg/ml[53]. Hơn thế nữa, g-C3N4 có thể được tổng hợp dễ dàng thông qua các phương thức ngưng tụ nhiệt của một số hợp chất hữu cơ chứa Ni-tơ giá rẻ ví dụ ure, thiure, melamine, dicyandiamide,cyanamide, và guanidine hydrochlorid,… ở khoảng 500-600oC trong không khí hoặc khí trơ [54]. g-C3N4 có thể được tổng hợp bằng cách rất nhiều phương
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
17
SVTH: Trần Thị Kiều Trinh Tháng 6/2019
pháp bao gồm thủy nhiệt sử dụn chất lỏng ion(ionothermal synthesis)[55], phân tử tự ngưng tụ(Molecular self-asembly)[56], chiếu xạ vi sóng(Microwave irradiation)[57], chất lỏng ion(Ionic liquid)[58].
Thêm vào đó, ngoài những lợi thế trên là một số những ưu điểm khác như là không hề độc hại, dồi dào, ổn định tốt, … Tất cả những điểm đó đưa g-C3N4 đến một cơ hội ứng dụng lớn cũng như cho phép nó được sử dụng trực tiếp cho ngành công nghiệp hóa học như là một xúc tác dị thể đa chức năng và phi kim loại.
Điều đáng tiếc là bulk g-C3N4 lại cho hiệu quả quang hóa chưa cao, bởi vì một vài nhược điểm khá lớn của nó. Cụ thể, một số thách thức đối với vật liệu carbon nitride có thể nêu ra như sau: tốc độ tái tổ hợp của electron và lỗ trống cao, vùng ánh sáng nhìn thấy hấp thụ còn bé ( dưới 460nm), diện tích bề mặt bé (10m2/g), diện tích bề mặt bên trong không có hoạt tính lớn, động học phản ứng bề mặt bé, khả năng oxi hóa không cao, … [59]
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
18
SVTH: Trần Thị Kiều Trinh Tháng 6/2019
Hình 1-3 Các thế oxy hóa khử của các phản ứng có liên quan đến vị trí VB và CB ước tính của g-C3N4 ở pH 7 [44]