TS. Phạm Thanh Trúc


Melamine là một hợp chất hữu cơ rất phổ biến, rẻ tiền và không có độc (melamine nguyên chất không bị dán bất kỳ nhãn độc hại nào). Riêng trong ngành vật liệu polymer, melamine được biết đến như một thành phần của keo melamine chuyên dùng trong kết dính gỗ, ván ép,.... Melamine cũng được dùng để trộn lẫn với một số loại nhựa, tạo thành hợp chất chống cháy bằng cách giải phóng khí nitơ khi cháy. Thế nhưng hiện nay, người ta tìm ra một vật liệu rất độc đáo từ melamine và chỉ cần riêng melamine cũng đủ tạo nên các tính chất đặc biệt của nó, đó là GRAPHITIC CARBON NITRIDE.

Sở dĩ người ta gọi là graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) vì vật liệu này có cấu trúc gần giống với graphene (cấu trúc đơn lớp của than chì). Một phân tử carbon nitride được ví như một tấm chăn mỏng với bề dày chỉ bằng kích thước một nguyên tử thành phần. Cấu trúc của đại phân tử carbon nitride thường có xu hướng theo motif như Hình 1b (mắt xích cơ sở heptazine) hơn là Hình 1a. Nếu như graphene đặc trưng với khả năng dẫn điện vượt trội thì carbon nitride lại là một polymer bán dẫn. Với độ rộng vùng cấm hẹp (khoảng 2.7 eV) và khả năng nhạy sáng của mình, carbon nitride thường được ứng dụng trong các lĩnh vực  như pin nhiên liệu, xúc tác điện hóa, quang xúc tác,… Người ta có thể dễ dàng tổng hợp carbon nitride từ melamine chỉ bằng phương pháp nhiệt, hiểu đơn giản là chỉ cần nung melamine ở nhiệt độ cao trong môi trường khí quyển là đã thu được sản phẩm. Một số tiền chất khác ngoài melamine như Hình 1c cũng thường được sử dụng, thế nhưng tất cả các tiền chất này đều tự phản ứng ở nhiệt độ cao và chuyển thành hợp chất trung gian là melamine, vì vậy có thể xem melamine là thành phần chính tạo nên carbon nitride.

 
Hình 1. Mắt xích cơ sở của carbon nitride: (a) Triazine, (b) tri-s-triazine (heptazine), (c) phản ứng polymer hóa tạo carbon nitride bằng phương pháp nhiệt từ các tiền chất khác nhau bên cạnh melamine [1].

Do có một số hạn chế như diện tích bề mặt thấp và hiệu quả thấp do quá trình tái kết hợp electron-lỗ trống nên thường carbon nitride được dùng để chế tạo composite hơn là sử dụng đơn lẻ. Kết hợp carbon nitride với một chất dẫn điện hay một chất bán dẫn là một trong những ý tưởng thịnh hành để khai thác triệt để tính chất đặc trưng của carbon nitride. Sự kết hợp này đem lại các hiệu ứng thú vị về cả mặt cấu trúc lẫn tính chất. Ví dụ trong Hình 2, carbon nitride khi được cho “mọc” trên các hạt nickel titanium trioxide (NiTiO₃ – bán dẫn oxide đa kim loại) sẽ tạo nên cấu trúc giống như vảy cá, làm tăng diện tích bề mặt phản ứng lên rất nhiều, khác xa so với cấu trúc carbon nitride thông thường khi không có mặt oxide kim loại.
 


Hình 2. Quá trình “mọc” carbon nitride trên bề mặt NiTiO3 qua 5 bước phản ứng tạo thành dạng vảy cá ở 500ºC, lúc này NiTiO₃ và carbon nitride liên kết với nhau bởi liên kết hóa học Ti-N [2].

Vẫn là composite giữa carbon nitride và NiTiO3, xét trong trường hợp ứng dụng cụ thể như quá trình quang xúc tác phân hủy các chất độc hại trong môi trường nước, khả năng xúc tác phản ứng của carbon nitride hoặc NiTiO3 khi dùng đơn lẻ là không cao do vị trí vùng dẫn và vùng hóa trị không phù hợp, phản ứng oxy hóa – khử không diễn ra đồng thời (Hình 3a). Vậy mà khi kết hợp chúng lại với nhau thì xảy hiện tượng truyền điện tử, làm thu hẹp bề rộng vùng cấm, cách ly các phần tử mang điện làm cho phản ứng oxy hóa – khử xuất hiện đồng thời và lâu bền trên bề mặt vật liệu composite và làm phân hủy các chất hữu cơ bẩn, chất độc hại trong nước tại các vị trí này.
  
 
Hình 3. Mô hình mô tả sự truyền điện tích (mũi tên màu đỏ) và phản ứng oxy hóa – khử (mũi tên màu xanh) trong (a) vật liệu đơn chất và (b) vật liệu composite.


Việc nghiên cứu và ứng dụng carbon nitride hiện nay chỉ đang ở giai đoạn khởi đầu, vì thế còn rất nhiều hướng tiếp cận đối với loại vật liệu này. Có thể nói, khi kỷ nguyên của graphene oxide vừa đi qua thì kỷ nguyên của carbon nitride vừa tới. Vật liệu carbon nitride có nhiều tiềm năng trong lĩnh vực quang học, lại có lợi thế về mặt chế tạo cực kỳ đơn giản. Chúng ta có rất nhiều cách để khai thác nhiều tính chất đặc sắc của vật liệu này: carbon nitride có thể kết hợp với các vật liệu dẫn điện hoặc bán dẫn khác nhau như ví dụ nêu trên để tạo thành các loại composite có tính chất đặc trưng tùy vào điều kiện ứng dụng; có thể tổng hợp carbon nitride quantum dot dùng trong các ứng dụng huỳnh quang, y học, sinh học,…; carbon nitride đơn lớp (oxided graphitic carbon nitride) dạng huyền phù trong nước với diện tích bề mặt rất lớn được dùng trong xúc tác quang pha khí để oxy hóa khí NO độc hại thành các chất tan trong nước, hoặc xúc tác cho quá trình phân tách nước tạo năng lượng hydro dưới vùng ánh sáng khả kiến;… Phát triển từ tiền chất là melamine và với vài quá trình rất đơn giản, vật liệu carbon nitride hiện nay được đánh giá là một ứng cử viên sáng giá trong lĩnh vực bán dẫn hữu cơ.


Trích dẫn
[1] W.-J. Ong, L.-L. Tan, Y.H. Ng, S.-T. Yong, S.-P. Chai, Graphitic Carbon Nitride (g-C3N4)-Based Photocatalysts for Artificial Photosynthesis and Environmental Remediation: Are We a Step Closer To Achieving Sustainability?, Chem. Rev., 116 (2016) 7159-7329.
[2] T.-T. Pham, E.W. Shin, Thermal formation effect of g-C3N4 structure on the visible light-driven photocatalysis of g-C3N4/NiTiO3 Z-scheme composite photocatalysts, Appl. Surf. Sci., 447 (2018) 757-766.