Urea pyrolysis route to graphitic carbon nitride nanosheet in layered silicates

Abstract

2D 나노시트는 구조적, 물리화학적 특성 때문에 많은 관심을 받고 있다. Graphitic carbon nitride (g-C3N4) 의 단일 층은 층상 실리케이트의 층간에서 고체삽입반응과 열처리에 의해 합성된 뒤, 층상 실리케이트를 녹여 합성하였다. 먼저, 요소(urea)를 150oC 에서 3 시간 동안 열처리하여 층상 실리케이트에 삽입한다. 그리고 만들어진 요소 – 층상 실리케이트 나노하이브리드를 200oC 에서 550oC 까지 4 시간 동안 열처리하여 층상 실리케이트 층 안에서 요소를 중합시켰다. X 선 회절 분석에 의하면, 소듐 이온이 삽입된 층상 실리케이트의 basal spacing 이 9.6Å인 것에 비해 요소 – 층상 실리케이트 나노하이브리드의 basal spacing 값이 18.4Å이고 550oC 에서 열처리한 나노하이브리드는 12.8Å으로 감소하였다. 이는 요소가 성공적으로 층상 실리케이트에 삽입되고 중합되어 단일시트의 g-C3N4 가 합성되었음을 얘기한다. FT-IR 분석으로부터 우리는 또한, g-C3N4 의 증거인 아로마틱 C=N 바이브레이션 밴드와, 반응 온도가 상승함에 따라 요소의 C=O 바이브레이션 밴드가 사라지는 것으로부터 g-C3N4 가 성공적으로 합성된 것을 확인하였다. 또한 열처리된 나노하이브리드의 색깔이 반응온도가 높아짐에 따라 흰색에서 연한 노란색으로 변하는 것과, 흡수 엣지가 red-shift 된 것을 적외선 분광 스펙트럼으로부터 확인하였다. 그리고, 흡수 엣지로부터 g-C3N4 단일 층의 밴드갭 에너지 값이 bulk 한 g-C3N4 의 값과 비슷한 2.8eV 값이 나오는 것으로 계산 되었다. 결과적으로 HF 와 HCl 용액을 이용하여 층상 실리케이트를 녹여내 g-C3N4 단일 층을 얻을 수 있게 되었다. 박리화 된 g-C3N4 용액의 Zeta potential 값은 g-C3N4 의 표면과 모서리에 있는 아미노 그룹 때문에 +31mV 로 측정되었다. 또한 g-C3N4 단일 층는 AFM 분석과 TEM 분석을 통해 확인하였다. g-C3N4 는 다양한 곳에 쓰일 수 있을 것으로 판단된다. 주요어: Graphitic carbon nitride, 나노하이브리드, 나노시트, 층상 실리케이트;The 2-dimensional nanosheets have attracted plenty of attention due to their uncommon structural and physiochemical properties. A single layer of graphitic carbon nitride (g-C3N4) was synthesized in the gallery of layered silicates via solid state intercalation and pyrolysis and removing the layered silicates. At first, urea was intercalated into layered silicates via solid state reaction at 150 oC for 3 hours. Thus prepared urea-layered silicates nanohybrid was calcined at 200 oC – 550 oC for 4 hours in order to polymerize urea in the intergallery of layered silicates. According to the x-ray diffraction analysis, the basal spacing of urea-layered silicates nanohybrid was determined to be 18.4 Ǻ, and basal spacing of the nanohybrid calcined at 550 oC was decreased to 12.8 Ǻ, compared to that of Na+ intercalated layered silicates (9.6 Ǻ), indicating that urea was successfully intercalated into layered silicates and polymerized to form a single sheet of graphitic carbon nitride. From the FT-IR spectra, we also confirmed that g-C3N4 was successfully synthesized from the finger print of the aromatic C=N vibration band of g-C3N4 and the disappearance of C=O vibration bands of urea depending on calcination temperature. UV-visible spectra demonstrated that the absorption edge of the calcined nanohybrid was red-shifted and the color was changed from white to pale yellow with increasing the calcination temperature. The g-C3N4 single layer intercalated layered silicates has bandgap energy of 2.8 eV, which is similar to that of the bulk graphitic carbon nitride. Finally we could obtain g-C3N4 single layer solution (g-C3N4 nanosheets) by removing the layered silicates with HF solution and HCl solution. Zeta potential of the prepared g-C3N4 nanosheets solution was determined to be +31mV, due to the amine group in the edge and surface of g-C3N4. The single layer of g-C3N4 was confirmed with the atomic force microscopic (AFM) analysis and the transmission electron microscopic (TEM) analysis. The g-C3N4 nanosheets could be applied to various.