Нитрид углерода

Нитрид углерода — бинарное соединение углерода и азота. Химическая формула: C₃N₄. Кристаллический нитрид углерода может существовать в нескольких полиморфных модификациях.

История получения

Один слой трехмерной кристаллической решетки β-нитрида углерода

Вещество (в виде модификации бета-нитрид углерода^[англ.]) было впервые предложено в работах М. Коэна 1985 и 1989 годов (последняя в соавторстве с Э. Лю)^[1]. Было высказано предположение, что атомы углерода и азота в соотношении 3:4 могут образовывать особенно короткие и сильные связи в стабильной кристаллической решётке. Согласно расчётам это вещество может быть как минимум столь же твёрдым, как алмаз.

Исследования Коэна привлекли к нитриду углерода внимание учёных, и в дальнейшем были предсказано существование ещё нескольких его модификаций: α-нитрид углерода, псевдокубический нитрид углерода и графитоподобный нитрид углерода^{[англ.] [2]} (имеет структуру на основе гептазиновых циклов). Позднее было обнаружено, что благодаря особым полупроводниковым свойствам последний проявляет необычную каталитическую активность^[3].

В течение последнего десятилетия XX века были предприняты многочисленные попытки получения вышеуказанных модификаций нитрида углерода^[4], в результате которых были разработаны методы получения вещества в виде тонких плёнок (и, следовательно, в очень небольших количествах). Сложность синтеза в основном обусловлена термической неустойчивостью нитрида углерода (температура разложения 800 °C)^[5].

В 2002 году был синтезирован объёмный образец кристаллического нитрида углерода (из его аморфной формы)^[6].

В 2023 году учёные сообщили о том, что синтезированы и идентифицированы три новых соединения нитрида углерода (tI14-C3N4, hP126-C3N4 и tI24-CN2), которые по твёрдости могут конкурировать с алмазом и твёрже, чем кубический нитрид бора^[7].

Другие классы соединений углерода и азота

Производные фуллеренов

• Азофуллерены^[англ.] — класс гетерофуллеренов, в которых углерод в некоторых позициях замещён на азот.
• Цианофуллерены — класс модифицированных фуллеренов с присоединенными к углеродному скелету цианогруппами.

Органические нитриды

• Перцианоуглеводороды (C_n(CN)_m) — углеводороды, все водороды в которых замещены цианогруппами. Простейшим представителем можно считать дициан.
• Перазидоуглеводороды (C_n(N₃)_m) — углеводороды, все водороды в которых замещены азидными группами.

Примечания

1. Liu A. Y., Cohen M. L. Prediction of new low compressibility solids (англ.) // Science. — 1989. — Vol. 245, iss. 4920. — P. 841—843. — doi:10.1126/science.245.4920.841. — PMID 17773359.
2. Корсунский Б. Л., Пепекин В. И. На пути к нитриду углерода // Успехи химии. 1997. Т. 66. № 11. С. 1003—1014
3. Thomas A., Fischer A., Goettmann F., Antonietti M., Müller J.-O., Schlögl R., Carlsson J.M. Graphitic carbon nitride materials: variation of structure and morphology and their use as metal-free catalysts (англ.) // Journal of Materials Chemistry. — 2008. — Vol. 18, iss. 41. — P. 4893–4908. — doi:10.1039/b800274f.
4. Милявский В. В., Жук А. З., Бородина Т. И. и др. Кристаллический сверхтвердый нитрид углерода — от прогноза к синтезу // VI Забабахинские научные чтения, 2001  (неопр.). Дата обращения: 2 марта 2019. Архивировано из оригинала 13 июля 2018 года.
5. Поздняков О. Ф., Блинов Л. Н., Мохаммад Ариф, Поздняков А. О., Семенча А. В. Масс-спектрометрическое исследование нитрида углерода C3N4 // Письма в ЖТФ. 2005. Том 31. Вып. 23. С. 17-23  (неопр.). Дата обращения: 2 марта 2019. Архивировано 10 июля 2019 года.
6. Термобарический синтез объемных образцов кристаллического нитрида углерода / О. В. Кравченко и др. // Вестник Московского университета. Сер. 2, Химия. — 2006. — Т. 47, N 4. — С. 266—268  (неопр.). Дата обращения: 2 марта 2019. Архивировано 2 марта 2019 года.
7. Недавно созданный сверхтвëрдый материал может конкурировать с алмазом  (неопр.). Дата обращения: 14 декабря 2023. Архивировано 15 декабря 2023 года.