グラファイト窒化炭素

グラファイト窒化炭素（gC ₃ N ₄）は、 C ₃ N ₄に近い一般式（通常は水素の量がゼロではない）と、ヘプタジンとポリ（トリアジンイミド）単位に基づく2つの主要なサブ構造を持つ窒化炭素化合物のグループであり、反応条件に応じて、異なる凝縮度、特性、および反応性を示します。

グラファイト窒化炭素は、シアナミド、ジシアンジアミド、またはメラミンの重合によって作ることができます。最初に形成されるメロンというC ₃ N ₄ポリマー構造は、ペンダントアミノ基を持ち、高度に秩序化されたポリマーです。さらに反応を進めると、トリス-トリアジン（C ₆ N _{7 ）ユニットを基本構成要素として、より凝縮され欠陥の少ないC 3} N ₄種が得られます。^[2]

グラファイト窒化炭素は、室温で三塩化シアヌル酸とメラミン（比率 =1:1.5）の飽和アセトン溶液からSi（100）基板上に電着することによっても調製できる。 ^[3]

_{十分に結晶}化したグラファイト状窒化炭素ナノ結晶は、C3N3Cl3とNaNH2を180 _～220 ℃で8～12時間ベンゼン熱反応させることによっても調製できる。_[ ^4]

最近、メラミンと尿酸の混合物をアルミナの存在下で400～600℃で加熱することにより、グラファイト状炭素窒化物を合成する新しい方法が報告されました。アルミナは露出した表面へのグラファイト状炭素窒化物層の堆積を促進しました。この方法は、in situ化学蒸着（CVD）に類似しています。^[5]

結晶性gC ₃ N _{4の特性評価は、} X線光電子分光法（ XPS）測定、発光スペクトル、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）スペクトル（800 cm ^−1、1310 cm ^−1、1610 cm ⁻¹のピーク）によって生成物中に存在するトリアジン環を同定することによって行うことができる。^[4]

窒化炭素の特殊な半導体特性により、ベンゼンの活性化、三量化反応、二酸化炭素の活性化（人工光合成）など、さまざまな反応に対して予想外の触媒活性を示します。 ^[2]

市販のグラファイト状炭素窒化物は、Nicaniteというブランド名で入手可能です。ミクロンサイズのグラファイト形態では、摩擦コーティング、生体適合性医療コーティング、化学的に不活性なコーティング、絶縁体、エネルギー貯蔵ソリューションに使用できます。^[6]グラファイト状炭素窒化物は、最高の水素貯蔵材料の1つとして報告されています。^{[7] [8]また、触媒}ナノ粒子の支持体としても使用できます。^[1]

グラファイト炭素窒化物は、その特性（主に大きく調整可能なバンドギャップと効率的な塩の挿入）により、さまざまな用途で研究されています。

• 光触媒
  • 水がH2とO2に分解さ_れる[ ₉ ^]
  • 汚染物質の分解
• 大きなバンドギャップ半導体^[10]
• 不均一触媒と担体
  • 炭素窒化物の顕著な弾力性と表面および層内反応性を組み合わせることで、不安定なプロトンとルイス塩基官能基に依存する潜在的に有用な触媒となる。ドーピング、プロトン化、分子官能基化などの修飾を利用することで、選択性と性能を向上させることができる。^[11]
  • gCNに担持されたナノ粒子触媒は、プロトン交換膜燃料電池と水電解装置の両方に向けて開発中です。^[10]
  • グラファイト窒化炭素は、バンドギャップが緩やか（2.7 eV）、可視光を吸収し、柔軟性があるなどの利点があるものの、可視光利用効率が低い、光で生成された電荷キャリアの再結合率が高い、電気伝導率が低い、比表面積が小さい（<10 m ² g ⁻¹）などの理由で、実用化には依然として限界がある。^[12]これらの欠点を改善する最も魅力的なアプローチの1つは、グラファイト窒化炭素にカーボンナノチューブなどのカーボンナノ材料をドーピングすることです。第一に、カーボンナノチューブは比表面積が大きいため、電荷キャリアを分離するサイトをより多く提供でき、電荷キャリアの再結合率を低下させ、還元反応の活性をさらに高めることができます。^[13]第二に、カーボンナノチューブは高い電子伝導性を示すため、グラファイト窒化炭素の可視光応答、効率的な電荷キャリアの分離と移動を改善し、それによってその電子特性を改善できることを意味します。^[14]第三に、カーボンナノチューブは光増感剤としても知られる狭帯域半導体材料の一種とみなすことができ、半導体光触媒材料の光吸収範囲を広げ、可視光の利用を高めることができる。^[15]
• エネルギー貯蔵材料
  • 層間のインターカレーションに加えて層内の空隙によりグラファイトよりも多くの部位にLiがインターカレーションできるため、gCNは大量のLiを貯蔵することができ^[16]、充電式電池として有用となる可能性がある。

• ベータ炭窒化物

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