د.السيد جادو بلال: مواد طاقة جديدة تنظف البيئة وتعزز تطبيقات الكيمياء الخضراء

نيتريد الكربون الجرافيتي (g-C3N4) هو مادة بوليمرية ثنائية الأبعاد تتكون من ذرات الكربون والنيتروجين والهيدروجين.

له بنية طبقية مشابهة للجرافيت، يشكل روابط sp2 المهجنة مع ذرات الكربون وذرة النيتروجين لخلق شبكة تشبه اقراص العسل.

المادة لها مساحة سطحية عالية، واستقرار حراري عال، وهي مستقرة كيميائيا.

ويحضر هذا البوليمر من عدة مصادر متاحة ورخيصة مثل اليوريا او الثيويوريا أو الميلامين وذلك من خلال البلمرة التكثيفية عند درجة حرارة من ٥٠٠ الى ٧٠٠ درجة مئوية.

وقد جذب g-C3N4 الانتباه في السنوات الأخيرة بسبب خصائصه الإلكترونية والبصرية والتحفيزية الفريدة لانه محفز ضوئي مستجيب للضوء يمكن استخدامه في تطبيقات مثل تكسير جزء الماء لانتاج الهيدروجين الاخضر بسهولة ويسر ودون تكلفة اقتصادية عالية كما يمكنه تكسير الملوثات العضوية الثابتة مثل نواتج الاصباغ وبقايا المواد الصيدلانية والمبيدات الحشرية والمواد الناتجة عن المنظفات الذكية.

المادة لديها أيضا تطبيقات محتملة في تخزين الطاقة، واستشعار الغاز، وكمحفز خال من المعادن للتحولات العضوية.

يمكن ضبط خصائص g-C3N4 عن طريق تغيير تركيبها وظروف معالجتها.

على سبيل المثال، يمكن تنشيط البوليمر مع عناصر أخرى، مثل الأكسجين , الكبريت أو البورون، حيث يمكن تعديل خصائصه الإلكترونية وتعزيز نشاطه التحفيزي.

بالإضافة إلى ذلك، فإن تعديل سطح g-C3N4 مع مجموعات وظيفية أو جسيمات نانوية يمكن أن يحسن أداءه في تطبيقات محددة.

وقد تم دراسة استخدام مادة g-C3N4 كمادة محتملة للاستخدام في الخلايا الشمسية بسبب خصائصه الفريدة كمحفز ضوئي مستجيب للضوء مرئي.

المادة لديها فجوة نطاق ضيقة (~2.7 إلكترون فولت)، مما يجعلها مناسبة لامتصاص الضوء المرئي وتوليد أزواج ثقب الإلكترون التي يمكن استخدامها في التطبيقات الضوئية.

وقد أثبتت عدة دراسات استخدام g-C3N4 في الخلايا الشمسية ذات الحساسية الصباغية، حيث تستخدم المادة كأنود ضوئي لامتصاص الضوء وتوليد أزواج من ثقوب الإلكترونات التي تنقل بعد ذلك إلى قطب لإنتاج الكهرباء.

وفي إحدى الدراسات تم دمج g C3N4 من الأنود الضوئي مع بوليمر إلكتروليت لتحقيق كفاءة تحويل الطاقة (PCE) بنسبة 2.2 ٪.

كما اثبت كفاءة عالية عند دمجه مع بعض البوليمرات التى تستخدم فى الدهانات للأساسات التى تتعرض لظروف جوية قاسية مثل اسطح السفن والأساسات البحرية حيث يمكن دمجه مع كلا من بويات الاكريلك والبولي استر والايبوكسي وعند تعرضه للضوء يعطى سطحا أنوديا قربانيا بدلا من الحديد ليكمل بذلك الدائرة الكهربائية للخلية الجلفانية التأكلية دون المساس بسطح الحديد المعزول.

كما أنه يمكن أن يكون له تطبيقات كبيرة فى الحماية السطحية من الهجمات الفيروسية البكتيرية.

المراجع:

https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/graphitic-carbon-nitride