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Jun 15, 2023

아르곤 분위기에서 빈 흑연질화탄소 합성 및 광촉매 수소 생성에 활용

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13622(2022) 이 기사 인용

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흑연질탄소(C3N4)는 멜라민으로부터 아르곤 분위기에서 550°C에서 4시간 동안 합성된 후 아르곤 분위기에서 500°C에서 1~3시간 동안 재가열되었습니다. 합성된 모든 물질에서 2.04eV와 2.47eV의 두 밴드갭이 관찰되었다. 원소 및 광발광 분석 결과를 바탕으로 공극 형성으로 인해 밴드갭이 낮아지는 것으로 나타났습니다. 합성된 물질의 비표면적은 15~18m2g−1로 열박리가 발생하지 않았음을 알 수 있다. 이들 물질의 광촉매 활성은 수소 생성에 대해 테스트되었습니다. 최고의 광촉매는 공기 중에서 합성된 벌크 C3N4(547 μmol/g)보다 3배 더 높은 성능(1547 μmol/g)을 나타냈습니다. 이러한 높은 활성은 큰 복합체 2VC + 2VN으로 그룹화된 탄소(VC) 및 질소(VN) 공극의 존재로 설명됩니다(양전자 소멸 분광법으로 관찰). C3N4 합성에 대한 불활성 가스의 영향은 Graham의 암모니아 확산 법칙을 사용하여 입증되었습니다. 본 연구는 아르곤 분위기에서 질소가 풍부한 전구체로부터 C3N4가 합성되면서 지금까지 언급되지 않았던 수소 생성에 유익한 공극 복합체가 형성된다는 사실을 보여주었습니다.

흑연질탄소는 금속이 없는 반도체로 Liu와 Cohen이 이론적으로 새로운 종류의 경질 재료를 예측한 1989년부터 집중적으로 연구되어 왔습니다. 2.7eV2,3의 좁은 밴드 갭과 원자가 및 전도대의 유리한 위치4와 같은 잘 알려진 특성으로 인해 이 물질은 광촉매5,6, 태양 전지 제조7, 이미징, 생물 요법 및 일부 감지의 다양한 응용 분야에 흥미를 갖게 됩니다. 화합물8,9,10,11. 반면, 낮은 비표면적과 광유도된 전자와 정공의 빠른 재결합과 같은 이 물질의 단점도 있으며, 이는 박리12,13,14, 도핑15,16,17 및 헤테로 구조 형성으로 극복할 수 있습니다. 복합재료10,18. 속성과 합성 절차는 많은 포괄적인 논문(예:19,20,21,22,23,24,25,26,27)에서 검토되었습니다.

C3N4는 대부분 공기 및 기타 대기에서 질소가 풍부한 전구체를 가열하여 합성되었지만 구조적, 조직적, 광학적 및 광촉매 특성에 대한 대기의 영향을 연구한 논문은 소수에 불과했습니다. 예를 들어, 수소29,30,31 또는 불활성 질소32,33,34,35 및 아르곤 대기36,37의 합성을 다루는 논문이 있습니다. 수소 또는 불활성 대기에서의 C3N4 합성은 주로 수소의 광촉매 생성을 위한 결함 공학에 사용되었습니다. 결함 공학에 대한 종합적인 검토가 최근 문헌에서도 발표되었습니다.

최근 우리는 공기와 질소 하에서 멜라민으로부터 C3N4의 합성을 연구했습니다. 이 연구의 목적은 아르곤(CN-Ar)에서 C3N4 합성을 계속하고 얻은 결과를 이전 결과와 비교하는 것이었습니다. CN-Ar 물질의 물리화학적 특성에 대한 아르곤 분위기의 영향은 일반적인 특성화 기술과 양전자 소멸 분광법(PAS)을 통해 연구되었습니다. 수소 생성 측면에서 이들의 광촉매 활성도 연구되었습니다. 복잡한 공극의 형성이 발견되었고 불활성 가스에서 합성 중에 방출된 NH3의 확산에 대한 간단한 모델이 도출되었습니다.

사용된 모든 화학물질은 분석 시약 등급이었습니다. 멜라민은 Sigma-Aldrich(Darmstadt, Germany)에서 구입했습니다. 모든 용액과 실험의 준비에는 증류수를 사용했습니다.

비교에 사용된 참조 C3N4(CN으로 표시됨)는 뚜껑이 있는 세라믹 도가니(직경 5cm, 30mL)에서 주변 공기 분위기에서 멜라민을 가열하여 합성되었으며, 주변 온도에서 시작하여 3°C의 가열 속도로 시작했습니다. min−1 최대 550°C. 총 합성 시간은 4시간으로 조정되었습니다. 도가니를 머플로에서 꺼내어 주위 온도까지 냉각시켰습니다. CN 물질을 수집한 후 마노 막자사발에서 미세한 분말로 분쇄했습니다.