石墨氮化碳纳米基粒子的结构和性能（光催化）、制备技术及其应用的迷你评论

介绍

来自外星空间的中央能源，太阳能的容量大大超过了历书世界的能源需求[1]。鉴于太阳的预测时间很长，太阳能也被认为是可以在地球上收获的最终可再生能源 [2, 3]。然而，这种能源的无休止和不连续性在收获、储存和利用之间的关系中提出了关键挑战 [4]。目前，有一些技术可以用来应对它们。太阳能可以灵活地以热量的形式聚集、转化和保存，既可以将热量分配给住宅，也可以进一步转化为电能，也可以转化为其他形式的能量[5]。正如 Edmond Becquerel, 1839 [5] 所描述的，关于太阳能光子获取的最具创新性的研究技术可能是光催化技术。

主要是废水是主要的污染源，特别是化学工业化产生的废水，因为这种废水含有显着浓度的大有机碎片，这些碎片在性质上具有极大的毒性和致癌性[3]。此前，环境修复技术（包括吸附、生物氧化、化学氧化和焚烧）已应用于各类有机有毒废水的处理，在太阳能利用、环境治理、生物医学和传感应用。 1972 年，Fujishima 和 Honda 揭示了在 TiO2 存在下将水光化学分解为氢和氧的特殊知识；研究兴趣一直集中在多相光催化[3,4,5]。在催化剂存在下加速光反应被描述为光催化。众所周知，光催化反应是在气相、纯有机液相或水溶液等介质中进行的。此外，在大多数化学降解方法中，相对于光子和催化剂的光催化降解通常被认为是控制有机废水、太阳能利用、环境处理以及生物医学和传感应用的最佳方法 [3, 5]。因此，用于有机废水处理和相关应用的最先进技术归功于不断发展的太阳能光驱动光催化剂[3]。

半导体光催化剂可用于从饮用水处理、环境整理以及工业和健康应用中的水相或气相系统中去除环境浓度的有机和无机物质。这是由于这些半导体（g-C3N4、TiO2-和 ZnO）具有通过氧化还原过程氧化空气和水中的有机和无机底物的巨大能力，从而有效地应用于太阳能利用、废水和环境处理、生物医学和无二次污染的传感应用。

聚合石墨氮化碳 (g-C3N4) 已成为光催化研究中考虑的主要中心 [6]。 g-C3N4 是一种可见光响应元件，带隙为 2.7 eV，CB 和 VB 的能量位置分别为 - 1.1 和 1.6 eV，通过普通氢电极 [Wang et al. 2009]。此外，g-C3N4 具有抵抗热、强酸和强碱溶液侵蚀的能力[7]。 g-C3N4 具有独特的能力，可以通过热缩聚廉价的富氮前体，如双氰胺、氰胺、三聚氰胺、三聚氰胺氰尿酸盐和尿素来简单制备，这与其他需要昂贵金属盐的含金属光催化剂不同准备 [6, 8]。热缩合、溶剂热、化学气相沉积、微波辅助、聚合和水热合成是制备策略的例子（表 2），这些策略已在氮化碳的制备中得到了很好的应用，用于光催化等领域的独特用途和分析[9].

由于 g-C3N4 的这些突出特性，将这种有前景的 g-C3N4 用于水分解、CO2 光还原、有机污染物净化、催化有机合成和燃料电池中将更加高效[6]。在过去几年中，关于 g-C3N4 结构和制备的令人钦佩的研究和评论数量急剧增加 [10]。在这篇简明扼要的综述中，作者主要重点介绍了 g-C3N4 和氮化碳 (CNx) 薄膜的结构、合成和制备技术方面的最新进展。很好地介绍了 g-C3N4 和 CNX 薄膜的独特结构和新颖的合成和制备技术，然后强调了在这篇小型评论中扩展 g-C3N4 制备的启发性概念。此外，作者还讨论了g-C3N4的应用，并对未来的研究提出了展望。

评论

石墨氮化碳和光催化

光催化最好指的是通过催化剂的活化加速化学转化（氧化和还原）。该反应涉及半导体单独或与金属/有机/有机金属促进剂结合，通过光吸收，随后电荷或能量转移被吸附，这可导致污染物的光催化转化。在光催化机制中，至少有两个主要作用同时发生，这有助于成功产生活性氧化物质（图 2）。这些反应是主要由光生空穴产生的解离吸附的 H2O 的氧化和也由光激发电子产生的电子受体的还原（图 2）。因此，这些反应分别产生羟基和超氧自由基阴离子[11]。在光催化反应过程中，很明显存在光子辅助产生催化活性物质，而不是光作为反应中的催化剂[12,13,14,15,16]。相当多地，通过催化剂（光催化剂）获得可见光（主要来自阳光）以引发化学转化（图 1）被描述为光催化。 C3N4光催化剂在废水处理、太阳能利用、环境处理以及生物医学和传感应用方面的应用已经在许多科学领域进行了讨论。

光催化分解水的基本机理示意图。经许可转载 [113, 114]。版权所有 2015 &2018. 英国皇家化学会

半导体催化剂（如 TiO2、ZnO、ZrO2 和 CeO2）的启发，光子携带的能量等于或超过其带隙，产生类似于光诱导电子转移和吸收光的电子空穴对，促进一个电子进入导带。氧化物可以将其电子（图 2）转移到任何吸附的电子受体（从而促进其还原），而空穴（或电子空位）可以接受来自吸附供体的电子（促进其氧化）。 g-C3N4在带隙激发和合适的助催化剂和/或牺牲剂存在下能够催化析氢/析氧和CO2还原。

g-C3N4 和 S 掺杂的 g-C3N4 之间形成的有机异质结的示意图。转载自参考文献。 [115]。版权所有 2015。爱思唯尔

石墨氮化碳纳米粒子

具有不同电子、化学和光学特性的一维纳米结构材料可以调整其尺寸和形态。一维纳米结构材料的这种能力导致了提高其光催化活性的多种方法的新进展[17]。此外，这些一维纳米结构还可以引导电子沿轴向运动并横向限制电子。从石墨烯到金属氧化物和金属硫属化物纳米片，再到二维共价有机骨架（g-C3N4），二维材料取得了进展。

选择前体和缩合方法的适当方法导致了两种主要类型的 g-C3N4 结构多晶型物，这包括，首先，g-C3N4 由缩合的 s-三嗪单元（C3N3 环）组成，具有周期性排列单碳空位。第二种类型的 g-C3N4 由通过平面叔氨基偶联的稠合三-s-三嗪（C6N7 的三环）亚基组成，这在晶格中具有更大的周期性空位。 g-C3N4 网络主要由基于甜瓜的链段组成（第二种结构；由三-s-三嗪单元组成，图 3a），与基于三聚氰胺的排列（第一种结构）相比，它在热力学上更稳定；这由 s-三嗪组成，图 3b)，如泛函理论 (DFT) 计算所描述的 [18]。因此，普遍认为三-s-三嗪核是形成g-C3N4网络的基本组成部分。

一 三-s-三嗪和b 三-s-三嗪作为g-C3N4的单元结构。经许可转载 [25, 31]。版权所有 2008 英国皇家化学会

石墨氮化碳纳米基粒子的结构

g-C3N4 是一类完全由共价连接的 sp2 杂化碳和氮原子组成的二维 (2D) 聚合物材料。碳和氮具有形成键合的各种价态的区别；因此，在 g-C3N4 中，有多种价键结构。研究工作已经开始，g-C3N4 的一些 C3N4 缺陷结构和非晶结构仍然是亚稳态结构，但随着 N 空位的上升，g-C3N4 材料的这两种构型通常会降低体积模量。 g-C3N4 的结构特征、材料组成和结晶度可以通过 XRD、XPS 和拉曼技术进行表征和评估。 1830 年，Berzelius 描述了通式 (C3N3H)n，Liebig 还设计了“甜瓜”这个符号，这些预测随后导致更多的研究集中在氮化碳低聚物和聚合物上 [19, 20]。此外，这些晶体结构已经在实验中被发现和陈述 [21,22,23]。 α-C3N4 较早由 Yu 及其同事发现 [24]。石墨C3N4的类石墨负载二维结构通常被观察为氮杂原子取代的石墨骨架，主要包括p-共轭石墨平面，并且具有sp ² 碳和氮原子的杂化。结晶石墨的密度比 g-C3N4 低 3%。由于氮杂原子取代，改变电子的定位然后巩固层间的键可以帮助启发g-C3N4的层间距离[25]。

g-C3N4的电子结构和性质

目前，g-C3N4 被认为是恢复传统光催化剂如 TiO2、ZnO 和 WO3 的光催化活性的新一代光催化剂。假设 g-C3N4 具有类似石墨的结构 [26,27,28,29,30]。热缩聚法通常用于制备g-C3N4，从而研究g-C3N4的电子结构。

α-C3N4 较早由 Yu 及其同事发现 [24]。这些科学家利用量子力学簇模型的计算程序，通过优化g-C3N4的电子结构，开发出用于光催化等的α-C3N4。在α-C3N4结构中，C和N原子由sp ³ 连接 关键是使用设计了g-C3N4的四面体结构。 Liu和Cohen通过第一性原理的能带概念预测了β-C3N4的存在，并基于β制备了β-C3N4 -Si3N4 电子结构。 Liu和Cohen随后揭示了β的结构 -C3N4 为六角形，每个晶胞包含 14 个原子。

Liu 和 Cohen 在 1989 年预测的 b 型多晶型 C3N4 与金刚石相比将具有异常高的硬度值，这一出色的预测迄今引起了科学研究的热情 [26]。 1993 年，Chen 及其合著者在纯氮环境下，通过磁控管在 Si（100）和多晶 Zr 衬底上吸纳石墨靶，并利用分析电子显微镜和拉曼光谱合成了 C3N4 薄膜。 27, 31]。科学家 Teter 和 Hemley [28] 预言 α-C3N4、β-C3N4、立方-C3N4、伪立方-C3N4 和石墨 C3N4 在他们的实验中表现出接近金刚石的显着硬度，正如已经描述的那样，他们在 3 年后进行了实验符合氮化碳多晶型物相对稳定性、结构和物理性质的第一性原理计算。

Wang 及其同事 [26, 32] 应用 ab initio 进化算法结构搜索来计算通过热缩聚和盐熔合成方法制备的 g-C3N4 的精确结构，以增强可见光响应光催化。最稳定的结构 1-3 被预测为基于庚嗪的 g-C3N4。相稳定性的顺序为 1> 2> 3。与其他层状结构相反，基于庚嗪的 g-C3N4（见图 3）中的扭曲相最稳定。这种结构有助于增强承诺的光催化活性。在g-C3N4中，氮的孤对电子主要负责能带结构和价带的发展。

石墨氮化碳纳米粒子的制备

综合

石墨碳氮化物有趣的摩擦学和电子特性使得开发一种以受控方式沉积石墨碳氮化物层的方法成为可能；因此，可以获得氮化石墨烯。值得一提的是，用于比较的基准粒子是笨重的 g-C3N4。通过选择没有直接 C-C 键合的富氮前体，如氰胺、双氰胺、三聚氰胺、硫脲、尿素或通过各种制备方法（表 1、2 和 3）的混合物，可以最好地获得这种颗粒，用于瞬间，热冷凝 [33]。氮化碳材料多为块状资源，表面积较小，通常小于 10 m ² g ⁻¹ 由含氮有机前驱体直接缩合制备或合成[34]。

介孔结构，当矿化和比表面积放大时，有助于微调理化性质，进而提高石墨氮化碳 (g-C3N4) 的光催化性能。介孔二氧化硅基质的纳米浇铸/复制是用于制备石墨氮化碳 (g-C3N4) 的第一种方法，这些方法以其相应的碳纳米结构群而闻名 [35]。然后付出了巨大的努力，为 g-C3N4 修饰提出了更多创新方案，这受到了硬模板方法的青睐（表 1）。 Liu 和 Cohen 随后发现了（表 1）软模板技术 [26]，还发现了其他 g-C3N4 改性方案，如酸性溶液浸渍、超声波分散法和化学功能化 [26]。上述这些方法是改变g-C3N4表面化学性质和结构的原理的良好迹象，单独具有电子势。

热处理，如物理气相沉积 (PVD) [36]、化学气相沉积 (CVD) [37]、溶剂热法 [38] 和固态反应 [38]，用于聚合大量的富氮和氧包含预键合的 C-N 核心结构（三嗪和庚嗪衍生物）的无化合物前体，这些是合成石墨氮化碳（g-C3N4）的基本技术。通过聚合制备石墨氮化碳（g-C3N4）的常用前驱体包括氰胺[39]、双氰胺[40]、三聚氰胺[41]、尿素[42]、硫脲[43]、氯化胍[44]、和硫氰酸胍[45]。直接使用已完成的元素实际上在许多领域都具有挑战性；这是由于块体 g-C3N4 的弱分散性和普通性质。在过去几年的光催化研究中，科学家们对使用充足的微/纳米结构和形态来制备不同种类的 g-C3N4 进行了深入研究。例如，通过剥离块体g-C3N4材料制备的超薄g-C3N4纳米片[46,47,48]带负电荷，可以很好地分散在水中。

众所周知，热氧化剥离、超声波剥离和化学剥离是制备 g-C3N4 材料的主要剥离方法。 Meso-g-C3N4 材料由于其更大的比表面积（高达 830 m ² g ⁻¹ ) 和更大的孔隙率（高达 1.25 cm ³ g ⁻¹ );此外，表面上存在的更多活性位点和更高的尺寸或形状选择性增强了它们的优异性能。制备 meso-g-C3N4 的最重要途径包括软模板（自组装）[49, 50] 和硬模板（纳米铸造）[51] 方法（表 1 和图 4）。许多伟大的研究科学家在研究 g-C3N4 的合成时使用较小的尺寸，通常称为 g-C3N4 量子点 (QD) [52,53,54,55]。合成 2D g-C3N4 纳米片的两种主要方法是将层状 g-C3N4 固体分层为自支撑纳米片，通常称为自顶向下策略（图 5）和以 2D 方式各向异性组装有机分子（图 6） )，也称为自下而上的策略。 [56] 值得注意的是，由于 CN 纳米片具有多种化学结构和电子能带结构，所制备的 CN 纳米片对多种金属离子显示出独特的电化学发光 (ECL) 发射响应。因此，能够快速检测多种金属离子的ECL传感器研制成功。

TCN (a 和 b ) 和 MCN (c 和 d ) 使用硬模板方法。经许可转载自[120]。版权所有 2015。爱思唯尔

使用自顶向下和自底向上策略合成 CNN 的示意图（经英国皇家化学学会许可从参考文献 [121] 转载）

通过不同光催化剂减少 RhB 作为可见光照射时间的函数制备和增强可见光光催化的示意图（光催化剂负载，0.5 g/L；初始 RhB 浓度，约 10 mg/L，无 pH 调节）。所用光催化剂为纯g-C3N4和a g-C3N4/BiOCl 杂化物系列，b RhB 在 BC3 上的循环降解，c BC3光催化剂在光催化过程前后的XRD图谱，以及d TOC 与降解时间的关系图。 （经德国 Springer-Verlag GmbH 许可，2017 年从参考文献 [122] 转载）

用于制备石墨氮化碳纳米基粒子的技术

氮化碳(g-C3N4和CNx的合成研究) ) 引起了世界各地研究人员的好奇心。已经合成了具有精确光催化性能的 g-C3N4 和薄膜 [57, 58]。所采用的热缩合、溶剂热、化学气相沉积、微波辅助、聚合和水热合成方法（表 2）已被有效地用于制备用于不同目的的氮化碳以及光催化等领域的分析 [9] ].

热和溶剂热处理方法

基于三聚氰胺与三聚氯氰在镍粉存在下的缩聚反应，李和课题组[41]提出了两种主要的合成富氮石墨碳氮化物的方法。这两种方法是以苯为溶剂的溶剂热法和热处理的无溶剂固体反应法（图7）。许多科学家的其他工作[59,60,61,62,63]表明溶剂热反应通常在洗涤和干燥后产生结晶，并且不需要后退火处理。这些科学家还提出用这种方法增强光催化活性（图 8）。

样品 B 的 SEM 图像：(a ) 涂有氮化碳的氧化铝颗粒； (b ) 氮化碳突出压痕的细节。可以观察到通过热解获得的氮化碳片的锯齿状。样品 A 的 SEM 图像：(c ) 和 (d ) 涂有氮化碳的氧化铝颗粒的视图。转载自[60]

去除二氧化硅纳米颗粒后 mp-C3N4 的 TEM 图像和电子衍射图。经许可转载[123]。版权所有 John Wiley &Sons Inc., 2006

牛和公司还报告了使用溶剂热技术时的形态变化 [64]。 Loumagne 及其同事 [65] 证实了 SiC 基沉积物的物理化学性质，这是通过 CH3SiCl3 在氢气中的热分解实现的。 Kelly 和小组 [66] 报道了使用氯化钽 (V) 和碳在充满氩气的手套箱下通过热处理混合的反应物合成 TaC。随后，主要由具有石墨组装特性的共轭芳族庚嗪体系组成的热缩合方法已被用于制备g-C3N4 [36]。使用溶剂热技术合成g-C3N4，与过时的热缩法相比，具有颗粒均匀、细化、能耗小、经济可行性高等优点。相反，这些方法仍然很耗时，在一定程度上需要几个小时才能完成颗粒形成和结晶。

化学气相沉积

Roberto 及其同事的研究 [60] 表明使用化学气相沉积 (CVD) 通过三聚氰胺和尿酸之间的反应合成石墨氮化碳具有很高的光催化活性。发现形成的石墨氮化碳具有庚嗪嵌段结构。

Roberto 及其同事随后提出，这些氮化碳的性质显示出锯齿状（图 7）、结晶度和纳米纹理。凯利等人。 [66] 报道了使用氯化钽 (V) 和碳在充满氩气的手套箱下通过热技术混合的反应物合成 TaC，然后通过化学技术转化为 TaC 纳米颗粒。 CVD 是制备具有高结构质量的单层石墨烯用于不同催化活性装置的最有用方法之一 [67]。 Wang等[26, 32]首先采用HFCVD方法在Ni衬底上获得CN푥薄膜。因为这些薄膜的制备在 CVD 条件下更容易产生 C-H 和 N-H 键，所以大多数 CN푥 薄膜是非晶态的。从以前的研究来看，CVD 程序用于制备氮化碳，衬底材料的选择是非常关键的考虑因素。通过在高温下将金属暴露于不同的碳氢化合物前体，可以制备大面积样品。有不同类型的 CVD 方法可用，例如等离子体增强 CVD、热 CVD 和热/冷壁 CVD。 CVD方法主要包括电子回旋共振、热灯丝辅助、直流辉光放电、射频放电和微波等离子体化学气相沉积。辅助热丝化学气相沉积 (HFCVD) 的偏置是用于沉积金刚石薄膜等的局部工具之一。石墨烯形成的确切机制取决于生长基底，但通常始于碳原子的生长，碳原子在碳氢化合物分解后在金属上成核，然后原子核生长成大域 [68]。近期，采用电阻加热冷壁CVD制备高质量单层石墨烯的速度也比传统CVD快100倍。

溶胶-凝胶合成

溶胶-凝胶合成技术是将凝胶中间体转化后从溶液中形成固体产品或纳米材料的过程。在这种合成方法中，反应物在分子水平上混合，允许快速反应并产生具有更高表面积的更均匀的产品。值得注意的是，该技术已被用于合成不同类型的纳米粒子，包括用于光催化的金属碳化物和氮化物工艺 [69]。使用溶胶-凝胶法合成金属氮化物可以追溯到使用金属有机化合物（由金属元素和二烷基胺合成）[70]。

微波加热

近年来，与上述方法相比，微波加热已被广泛用于制备精细化学品和药物，因为它具有广泛的反应范围和较短的反应时间，适合工业规模生产[71]。 Wang 及其同事采用了一种简单的技术，使用廉价/较便宜的富氮前驱体合成 g-C3N4，然后该前驱体可以作为光催化剂在可见光照射下产生 H2 和 O2 以进行研究.微波辐射加速化学反应，减少能量消耗，从而穿透反应容器，以高传热速率向反应物和溶剂公开提供能量。微波加热技术不同于油浴、加热室等传统技术；这种方法更加有效和可靠。微波辐射，对于热溶剂热加压的封闭反应体系，反应物可以比使用常规方法更快地反应并转化为产物。 Dai 及其同事最近提出了一种使用微波辅助聚合合成 g-C3N4 的省时且经济的方法。 Dai 和同事随后发现 g-C3N4 样品实现了，显示出亚微球和 90 m ² 的高表面积 g ⁻¹ ,（图 9）并在 180°C 下在微波辐射条件下成功合成 30 分钟，显示出增强的光催化性能 [71]。 Experiments performed by Hu and coworkers also revealed that the microwave- synthesized g-C3N4 has good chemical and thermal stability and strong emission intensity than those of the conventional one [71]. Hu and coworkers also stated that microwave synthesized g-C3N4 performed better in visible-light-responsive photocatalysis.

(a ) Thermal decomposition of uric acid to cyanuric acid; (b ) tautomers of uric acid; (c ) tautomers of cyanuric acid; (d ) schematic representation of a layer fragment of the adduct called melamine cyanurate

Physical Vapor Deposition

It consists of magnetron sputtering, ion beam deposition (IBD), reaction sputtering, and pulsed laser deposition, and so forth. Reaction sputtering is the elementary method for preparation of composites. When this technique is used to prepare g-C3N4, the mass fraction of nitrogen is usually less than 40%. Conversely, to form 훽-C3N4, the system should consist of an adequate amount of nitrogen and stoichiometric ratio should reach 57%. Niu and his group [72] achieved the g-C3N4 on silicon substrate by using pulse laser evaporation C target, auxiliary deposition of atom nitrogen.牛等人。 studies found that the amount of N reached 40% in the films and then C, N atoms combined with nonpolar covalent bond. Successively, Sharma et al. [73] and Zhang et al. [74] also did some critical studies and then obtained CN푥 films by a similar method as discussed. Mihailescu and coworkers [75] also used ammonia instead of N2-manufactured hard CN푥 films with carbon nitrogen single bond, double bond, and triple bond and then found out that its optical band gap is 4.5 eV. From the recent study, what scientists frequently get are mixture films which comprise several crystal phases.

To consider the efficacy of prepared g-C3N4, photocatalytic hydrogen evolution using crystalline carbon nitrides (CNs) was proposed by Takanabe and his group [76]. Takanabe et al. acquired carbon nitrides by supramolecular aggregation (Table 3) which was further monitored by (Table 3) ionic melt polycondensation (IMP) using melamine and 2, 4, 6-triaminopyrimidine as a dopant. There are other few methods similar to what Takanabe and his group used in their experiment, see Table 3.

Applications of Graphitic Carbon Nitride

There are several emerging applications of this graphitic carbon nitride and such applications include based sensing, biomedical applications, wastewater and environmental treatment, solar energy utilization and being used in device making.

Solar energy Utilization

To increase the visible responsive activity of carbon nitride is not only dependent on controlling the molecule structures, synthesis, and preparation techniques of CN but also dependent on the ability to alter the electronic structures of these materials. Usually, under visible-light irradiations, carbon nitrides can be used to produce photoelectrode and thereby generating photocurrent. This ability of g-C3N4 is due to the exceptional reversible protonation and deprotonation nature. One of the greatest approaches is the use solar fuel from CO2 and water (produced by most photocatalysts) to produce H2, hydrocarbons, and syngas for energy and others [77, 78]. It was proposed that g-C3N4 has the potential of being metal-free and scalable photocatalysts for visible-light use based on the structure, synthesis, and preparation technique applied. A recent work by Liu and team [79] has suggested a novel development of sacrificial templating method for formulating mesoporous g-C3N4 spheres and a high-throughput scheme. This proposed technique can be used to synthesize g-C3N4 rods, and this is best for NADH regeneration (Fig. 10a–c) for successful production of energy and others.

Schematic drawing illustrating synthetic route (templating method) and the mechanism of charge separation and photocatalytic process over C3N4 and Ag@C3N4 photocatalysts under light irradiation. Reproduced with permission [124]. Copyright 2014 Elsevier.

Wastewater and Environmental Treatment

Most petrochemical, petrochemical, textile, and food industrial processes lead to pollution in the environment, to be precise, water bodies [80]. In the production of textiles, photographic materials, and printing materials, organic dyes are used and these dyes leach into most aquatic environment during the dying process [81]. Despite the harmful impact of these dyes on human and animal health, their biological and chemical degradation is challenging [82, 83]. Due this threat, there is a need to develop a superior oxidation process for the treatment of contaminated drinking water and non-degradable materials [84, 85]. Most researches [86,87,88,89,90] have proven that the use of semiconductors such as g-C3N4 for photocatalysis is the best method for the treatment of wastewater and environment due to their less harmful nature [86,87,88,89,90]. g-C3N4 is best known to be the potential photocatalysts for the degradation of numerous pollutants [16, 90, 91], with photophysical potentials of the parent nitride altered through doping with heteroatoms, heterojunction formation with other materials, and textural enhancements to expand surface area and porosity. The structure, synthesis, and preparation techniques of g-C3N4 nanosheets also determine the efficiency of the photocatalyst and its application in relation to wastewater treatment. Ultrathin g-C3N4 nanosheets derived from bulk g-C3N4 by exfoliation in methanol reveal heightened photocatalytic activity (Fig. 11) for methylene blue (MB) degradation [92]. Synthesizing and preparing of the candidate by doping metals such as Cu and Fe [93,94,95, 96] and non-metals such as B, C, O, or S [97,98,99,100], and co-doping [101,102,103] has been widely used by many scientists for water and environmental treatment. A promising solution to environmental depollution [104,105,106] is the combination of noble metals and g-C3N4 [107,108,109,110,111,112].

SEM images of (a) ST, (b) thermal condensation (TC), and (c) Microwave assisted synthesis (MW) samples; (d) magnification of MW sample; Photocatalytic degradation of MO solution over MW, ST, TC C3N4, and Ag-TiO2 samples irradiated under visible light. In the experiment, a blank test was performed in which the solution was irradiated without adding a catalyst. Reproduced with permission [125]. Copyright 2017 Elsevier

In summary, the unfeasible applications in wastewater and environmental pollution of most of the utmost well-versed photocatalysts is due to some of their demerit deterrents which includes, high cost, small scale, little photocatalytic activity, and thought-provoking recycle. Reasonably, in the area of environmental remediation, g-C3N4, TiO2-, and ZnO-based nano-material exhibit the most promising applications as result of their low cost, high photocatalytic activity, and no second pollution on the environment [3].

Biomedical and Sensing Applications

To increase the ability of g-C3N4 for sensing, biotherapy, and bioimaging usage, there is a need to alter the molecular structure, thereby enhancing the handling of the material in water. Due to the light photoluminenscence, highly recommended for biological related use, g-C3N4 nano-material is a very essential candidate for biomedical and sensing applications. The application of g-C3N4 for sensing, biotherapy, and bioimaging mainly considers its structure, synthesis, and preparative mechanisms. Zhang and coworkers [53] proposed that ultrathin g-C3N4 nanosheets could be used as biomarkers for the labeling of the cell’s membranes. g-C3N4 has also been suggested by Lin and co. to be a potential photosensitizers and pH-responsive drug nanocarriers for cancer imaging and therapy.

Future Perspectives

From the discussion, the future research of the g-C3N4 nano-based compound may focus on synthesizing innovative g-C3N4 nano-based particle which are responsive to morphology monitoring, evaluating the photocatalysis practicality and efficacy of traditional synthesis and preparative strategies of g-C3N4 nano-based compound, and then exploring the applications of diverse g-C3N4 nano-based particles in treating commercial wastewater, its effective application in solar energy utilization, environmental treatment, biomedical and sensing applications by fully assessing their photocatalytic ability, cost, energy consumption, and reusability.

结论

In conclusion, this mini review climaxes the current advances on the structure and preparation techniques of full-bodied g-C3N4 nano-based material. Understandably, g-C3N4 has demonstrated to be one of the greatest favorable entrants suitable for scheming and assembling innovative composite photocatalysts. Thus, there is little uncertainty that the massive advancement of g-C3N4 nano-based particle will endure to develop in the near future. In view of that, more studies are also needed to making full use of the exceptional structural, synthesis, properties, and the preparation techniques of g-C3N4 nano-based particle.

缩写

g-C3N4 :

Graphite carbon nitride

TiO2 :

Titanium oxide

氧化锌：

氧化锌