Příprava nano g-C3N4 dvoustupňovým tepelným procesem a studium fotokatalýzy na methylenové modři, Kongo červeni a malachitové zeleni v UV/VIS, včetně studia nanokompozitu z pohledu některých fyzikálně-chemických charakteristik

Abstract

Predkladaná bakalárska práca sa zameriava na prípravu nanoštruktúrovaného grafitického nitridu uhlíka (g-C3N4) a štúdium jeho fotokatalytického potenciálu. Hlavným cieľom je syntéza materiálu efektívnym dvojstupňovým tepelným procesom. Prvý stupeň zahŕňa polymerizáciu prekurzora melamínu pri teplote 500 °C po dobu 2 hodín a následne pri 520 °C po dobu 4 hodín za vzniku bulk g-C3N4. V druhom stupni je realizovaná termická exfoliácia pripraveného bulk materiálu pri teplote 500 °C po dobu 3 hodín, čo viedie k úspešnej delaminácii na ultratenké nanovrtstvy s výťažkom 20,16 %. Pripravené vzorky sú charakterizované pomocou metód XRD, SEM, DRS, FT-IR a PL a Ramanovej spektroskopie. Práca detailne skúma účinnosť fotokatalyzátora pri degradáciu methylénovej modrej, Kongo červene, malachitovej zelene a kryštálovej violeti pod UV a viditeľným žiarením. Výsledky potvrdzujú úspešnú delamináciu na ultratenké vrstvy a nárast energie zakázaného pásu na 2,77 eV v dôsledku kvantového obmedzovacieho efektu. Nanoštruktúrovaná forma vykazuje v porovnaní s pôvodným bulk materiálom výrazne vyššiu aktivitu a rýchlejšiu kinetiku. Najrýchlejšia degradácia je zaznamenaná pri malachitovej zeleni, kde sa pod viditeľným žiarením dosahuje 81 % účinnosť už po 30 minútach. Pod UVA žiarením dosahuje exfoliovaný g-C3N4 po 180 minútach úplnú elimináciu Kongo červene (100 %), vysokú účinnosť pri methylénovej modrej (91 %) a kryštálovej violeti (82 %). Dosiahnuté zistenia prezentujú g-C3N4 ako perspektívny, kovovo-nezávislý a ekologicky nezávadný materiál pre pokročilé technológie čistenia odpadových vôd od organických polutantov.

This bachelor thesis focuses on the preparation of nanostructured graphitic carbon nitride (g-C3N4) and the study of its photocatalytic potential. The main objective is to synthesize the material via an efficient two-step thermal process. The first step involves the polymerization of the melamine precursor at 500 °C for 2 hours, followed by 520 °C for 4 hours, resulting in bulkg-C3N4. In the second stage, thermal exfoliation of the prepared bulk material is carried out at 500 °C for 3 hours, leading to successful delamination into ultrathin nanolayers with a yield of 20,16 %. The prepared samples are characterized using XRD, SEM, DRS, FI-IR, PL, and Raman spectroscopy. The thesis examines in detail the photocatalysts efficiency in the degradation of methylene blue, Congo red, malachite green, and crystal violet under UV and visible radiation. The results confirm successful delamination into ultrathin layers and an increase in the bandgap energy to 2,77 eV due to the quantum confinement effect. The nanostructured form exhibits significantly higher activity and faster kinetics compared to the original bulk material. The fastest degradation is observed for malachite green, where an 81 % efficiency is achieved under visible light after just 30 minutes. Under UVA radiation, exfoliated g-C3N4 achieves complete elimination of Congo Red (100 %) after 180 minutes, as well as high efficiency for methylene blue (91 %) and crystal violet (82 %). The findings present g-C3N4 as a promising, metal-independent, and environmentally friendly material for advanced technologies for the treatment of wastewater containing organic pollutants.