Graphitisches Kohlenstoffnitrat (g-C3N4)-basierte Photokatalysatoren für künstliche Fotosynthese und Umweltremedation: Sind wir einen Schritt näher daran, Nachhaltigkeit zu erreichen?

Als faszinierendes konjugiertes Polymer ist graphitisches Kohlenstoffnitrat (g-C3N4) zu einem neuen Forschungsschwerpunkt geworden und hat aufgrund seiner metallfreien und sichtbaren lichtreaktiven Eigenschaften als Photokatalysator im Bereich der Solarenergieumwandlung und Umweltremedation breite interdisziplinäre Aufmerksamkeit erregt. Dies liegt an seiner ansprechenden elektronischen Bandstruktur, hohen physikochemischen Stabilität und "erdverfügbaren" Natur. Diese kritische Analyse fasst ein Panorama der neuesten Fortschritte in Bezug auf das Design und die Konstruktion von reinem g-C3N4 und g-C3N4-basierten Nanokompositen zusammen, einschließlich (1) Nanoarchitekturgestaltung von reinem g-C3N4, wie harte und weiche Templating-Ansätze, supramolekulare Vororganisationsassemblierungen, Exfoliation und templatische Syntheserouten, (2) Funktionalisierung von g-C3N4 auf atomarer Ebene (elementare Dotierung) und molekularer Ebene (Copolymerisation) sowie (3) Modifikation von g-C3N4 mit gut abgestimmten Energielevels eines anderen Halbleiters oder Metalls als Katalysator zur Bildung von Heterojunction-Nanostrukturen. Der Aufbau und die Eigenschaften jeder Klassifikation des Heterojunction-Systems werden kritisch überprüft, nämlich Metall-g-C3N4, Halbleiter-g-C3N4, isotypisches g-C3N4/g-C3N4, graphitisches Kohlenstoff-g-C3N4, leitfähiges Polymer-g-C3N4, Sensibilisierer-g-C3N4 und Multikomponenten-Heterojunctions. Die Bandstrukturen, elektronischen Eigenschaften, optische Absorption und interfaciale Ladungstransfer von g-C3N4-basierten heterostrukturierten Nanohybriden werden ebenfalls theoretisch diskutiert, basierend auf Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT), um aufschlussreiche Einblicke in die Dynamik der Ladungsträger zu bieten. Abgesehen davon werden die Fortschritte der vielseitigen Photoredoxanwendungen hin zur künstlichen Fotosynthese (Wasserspaltung und Photofixierung von CO2), Umweltdekontamination und Bakteriendesinfektion im Detail präsentiert. Zu guter Letzt wird diese umfassende Analyse mit einer Zusammenfassung und einigen anregenden Perspektiven zu den Herausforderungen und zukünftigen Richtungen an der Spitze dieser Forschungsplattform abgeschlossen. Es wird erwartet, dass diese Analyse eine neue Forschungsannahme anregen kann, um die nächste Generation von g-C3N4-basierten Photokatalysatoren mit verbesserten Leistungen durch die Nutzung der herausragenden strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften für die Entwicklung einer nachhaltigen Zukunft ohne Umweltbelastung zu unterstützen.