g-C₃N₄의 금속 및 비금속 도핑은 반도체의 광전자 특성을 조정하여 광촉매 성능을 향상시킨다. 일반적으로 시스템에 불순물을 도핑하거나 직조하면 전자이동도 및 전도도를 제어하는데 도움이 된다. 2차원 g-C₃N₄는 구조적으로 가시광선 흡수를 방해하지 않고 밴드의 변화를 일으키는 외부 원소를 허용할 수 있는 빈 공동 (cave)을 가지고 있다. 비금속 헤테로원자를 도핑하면 밴드 갭에 국부적인 전자 에너지 준위가 도입되어 반도체의 광 흡수가 확대되고, 광생성 된 전자와 정공의 재결합도 감소된다. 지금까지 g-C₃N₄의 변형에 대해 보고된 비금속 헤테로 원자는 산소 (O), 황 (S), 인 (P), 붕소 (B), 불소 (F), 요오드 (I) 원자 및 탄소 원자 등이 알려져 있다.[16,53-56] 광촉매 분해는 n→π* 전이가 더 많이 활성화되어 황 도핑에 의해 크게 영향을 받는다는 것이 입증되었으며, Zou 등은 열 축중합 방법으로 12배 더 큰 규모의 S-g-C₃N₄를 개발하였다.[57] 표면적이 큰 S-g-C₃N₄는 중금속에 강한 친화력을 나타내었고, g-C₃N₄가 납의 산화 피크 감소를 유발함으로써 중금속 이온 센서로 활용될 수 있음을 보여주었다. 또한, Liu 등은 황과 인의 비율이 g-C₃N₄의 형태를 제어할 수 있는 2원소 도핑을 보고하였다.[58] 황과 인의 도핑은 광 생성 전자와 정공의 새로운 경로를 만들어 광촉매 활성을 향상시켰다. 이와 유사하게 광 생성 전하 캐리어의 재결합을 억제하고, 광 유도 전자를 포획하여 광촉매 활성을 더욱 개선시킨 붕소와 황이 도핑 된 g-C₃N₄도 보고되었다.[59] 이러한 헤테로 원자의 도핑은 결함의 형성을 초래할 수 있다는 점을 고려할 필요가 있다. 무엇보다 비금속 및 금속 도핑은 이들의 역할이 g-C₃N₄의 밴드갭을 조절하고 광 생성 전자와 정공의 재결합을 줄이고 가시광선 흡수 영역을 향상시키는 것에 있다는 것이다. 하지만, 도펀트의 특성에 따라 성능의 개선에는 차이가 있으며, Fig. 5. a에서 보듯이 비금속 헤테로원자의 종에 따라 도핑 되었을 때 서로 다른 구조가 형성될 수 있기 때문이다. 산소, 황 및 요오드 도핑의 경우 방향족 tri-s-triazine 고리의 질소 원자를 대체할 수 있는 반면, 탄소는 고리를 잇는 질소 원자를 대체할 수 있다. 질소를 대체하여 치환된 원자는 π-conjugation 전자의 비편재화를 촉진할 수 있다.[60] 또한, 붕소 및 인 도핑은 탄소 원자를 우선적으로 대체하여 루이스 산 사이트가 형성될 수 있으며, 붕소는 HOMO와 LUMO의 더 강한 비편재화를 유도하고 인은 본질적으로 밴드갭을 좁힐 수 있어 캐리어 이동성을 촉진한다고 보고되었다.[61,62] 높은 전기음성도를 가지는 불소는 도핑 시 탄소와 결합을 형성할 수 있고, 전자 밴드갭을 낮추는 전기음성도로 인해 가전자대 (Valence Band, VB)를 점유하는 경향이 있다.[63]

일반적으로 금속 도핑의 경우, Fig. 5. b와 같이 g-C₃N₄의 구조적으로 빈 공동에 금속 이온이 위치한다. g-C₃N₄에 금속을 도핑되면 Schottky 장벽이 생성되고 이는 전자 전달을 통해 페르미 준위 정렬을 돕고 재결합을 방지한다고 알려져 있다.[64] 또한, 밀도범함수이론 (Density Functional Theory) 계산에 의해 금속 도핑이 g-C₃N₄의 표면 전하 분포를 효과적으로 변화시키고, 캐리어 이동성과 광 흡착을 향상시킬 수 있음을 입증하였다.[65,66] 예를 들어, K⁺ 및 Na⁺와 같은 알칼리 금속 이온의 경우 서로 다른 삽입 영역에서 불균일한 공간 전하 분포를 유도하고 자유 캐리어 농도를 증가시키며 전하 재결합 속도를 향상시킬 수 있다.[67] Van 등은 Fe 도핑 된 g-C₃N₄ 나노시트의 염료 분해 성능에 대해 조사하였으며, 그 결과 Fe가 광촉매 활성을 위한 적절한 조촉매임을 확인하였다.[64] g-C₃N₄에 7.0 mol%의 Fe 가 로딩될 때 최적의 성능을 나타내었고, 이는 30분 이내에 Rhodamine B (RhB) 염료를 100% 분해할 수 있음을 보여주었다. 더불어, Fe가 7.0 mol% 일 때 최대 표면적을 달성하고 Fe 함량이 추가로 증가되면 표면적이 감소하는 결과는 7.0 mol%에서 사용된 g-C₃N₄의 나노시트 공동이 포화되었음을 의미한다. 혼합 및 하소 공정을 통해 제조된 Zn 도핑 된 g-C₃N₄는 마찬가지로 촉매 활성을 향상되는 결과를 보여주었고, 이 과정에서 Zn은 g-C₃N₄의 적층 구조에 영향을 미치지 않고 전자적 거동을 변화시켜 흡수 영역을 더 긴 파장으로 이동함을 밝혔다.[68] 이러한 거동은 Zn의 3d 및 N의 2p 오비탈의 d-p 반발에 의해 발생하는 호스트-게스트 상호작용의 결과로 일어난 것이라 설명한다.

2차원 소재의 이종 (hetero)구조를 도입 및 유도할 수 있는 계면 엔지니어링은 뛰어난 성능을 가지는 첨단소재로의 달성을 위한 방법이 될 수 있다. Jianget 등[69]은 g-C₃N₄에 CdS를 접합하기 위해 광적 및 화학적 증착 방법을 사용하여 서로 다른 두 종류의 CdS-g-C₃N₄ 복합 광촉매를 제조하였고, Fig. 6과 같이 광증착 반응 동안 전자 방향이 경계면으로부터 g-C₃N₄에서 CdS로 발생한다고 설명하였다. 또한, 두 종류의 CdS-g-C₃N₄ 복합체, 즉 p-CSCN (photo-deposition CdS-g-C₃N₄)과 c-CSCN (chemical-deposition CdS-g-C₃N₄) 촉매에 대해 전하 이동 경로 및 에너지 레벨 다이어그램을 개별적으로 서로 다른 전하 이동 메커니즘을 제안하였다. 이러한 이종접합 시스템은 광생성 캐리어의 분리를 촉진할 수 있을 뿐만 아니라 염료 분해를 포함한 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다. 2D/2D 이종구조 시스템에서 p-n 접합으로 인한 우수한 전도성 및 높은 전자 이동성과 함께 표면 활성점이 많이 분포된 높은 비표면적은 향상된 전하 이동 역학으로 전자 수명을 연장한다. 적층 이종구조는 가장 큰 계면 접촉 면적과 가장 강력한 상호 작용을 가지며, 이는 이종 결합을 적절히 개선하여 촉매의 표면 전위를 변경한다. 따라서, 이러한 시스템을 바탕으로 광범위한 태양 에너지를 효율적으로 활용 가능한 깨끗하고 재생 가능한 에너지를 생성할 수 있는 광촉매 메커니즘이 제안되었다.

g-C₃N₄와 다른 소재 사이의 결합은 공유결합 또는 π-π 스태킹 상호작용과 비공유 변형을 통해 진행될 수 있다. g-C₃N₄와 반도체의 결합은 가장 일반적이고 최근까지 가장 널리 연구된 조합이며, 대체로 비공유 결합을 통하여 제조되어 공간 전하 분리를 촉진할 수 있는 이종접합이 생성될 수 있다. TiO₂, ZnO, WO₃, Fe₂ O₃, SnO₂ 등과 같은 다양한 유형의 금속 산화물은 전자-정공 재결합을 줄이고 전하 캐리어 분리를 촉진하여 g-C₃N₄의 광촉매 효율을 향상시킬 수 있다. 일반적으로 이종접합 구조는 Fig. 7과 같이 Schottky 접합, 유형 I, 유형 II 및 유형 III의 4가지 구조를 포함한다. 유형 I - III 의 차이점은 두 결합 재료 사이의 밴드 갭으로 인해 전자흐름의 방향이 달라질 수 있다는 것이다. 대부분의 g-C₃N₄와 금속산화물 광촉매는 전하 캐리어 분리를 위한 유형 II 방식의 메커니즘을 보여준다. 유형 II의 이종접합에서는 두 반도체가 안정적으로 결합하며, 서로 다른 가전자대 (VB)의 전압 차이로 인하여 광유도 정공이 낮은 가전자대에서 이동한다. 반면, 전자는 높은 전도대 (Conduction Band, CB)에서 낮은 곳으로 이동하므로, 향상된 전자와 정공 분리는 재결합 속도를 줄이고 전자의 수명을 연장시킨다.

TiO₂는 적절한 CB 위치, 탁월한 안정성, 비용 및 효율적인 제조 방법이 개발되면서 가장 유망한 광촉매 소재 중 하나이다.[70] 이종접합 g-C₃N₄-TiO₂를 제조하기 위해 동시 소성, 수열 (hydrothermal), 용매열 (solvothermal) 및 마이크로파 등을 이용하는 다양한 합성 방법이 사용되었다.[71-73] Fig. 8. a은 g-C₃N₄ 및 TiO₂의 CB, VB 및 밴드갭 위치를 보여주며, g-C₃N₄-TiO₂가 g-C₃N₄의 CB에서 TiO₂ 밴드로 광유도 전자 흐름을 개선할 수 있음을 보여준다. TiO₂가 g-C₃N₄의 전도성 밴드보다 더 양성이기 때문에 광생성 된 전자는 TiO₂ 전도대에 축적되는 경향이 있다. 대조적으로 정공은 역방향으로 전달되어 유형 II 이종접합임을 확인할 수 있으며, 높은 재결합 장벽으로 인해 이러한 이종접합은 캐리어 변환 및 분리를 촉진하기 위한 높은 계면 영역을 제공하여 전자-정공 재결합을 억제하여 광촉매 활성을 증가시킨다. g-C₃N₄-TiO₂에서 g-C₃N₄의 비율에 따른 XRD 결과는 Fig. 8. b에서 확인된다. g-C₃N₄-TiO₂ 샘플에 13.1^°에서의 g-C₃N₄ 특성 피크가 나타나지 않는 것은 미세구조의 높은 결정성을 지닌 TiO₂에 비해 g-C₃N₄의 결정성이 낮기 때문이다. Fig. 8. c는 샘플들의 FT-IR 스펙트럼 결과를 보여주며, g-C₃N₄, TiO2 및 g-C₃N₄-TiO₂의 기공 크기 분포는 Fig. 8. d에 나타내었다. Fig. 8. e에서 보듯이, g-C₃N₄-TiO₂의 BET 비표면적은 g-C₃N₄ 함량이 높을수록 증가하며, PL 방출 스펙트럼 결과 모든 샘플의 455 nm에서 피크가 관찰되고 g-C₃N₄의 함량 비가 감소함에 따라 PL 피크의 강도가 감소되는 것을 확인할 수 있다.(Fig. 8. f) Jo 등은 다른 유사한 나노복합체와 일치하는 g-C₃N₄-TiO₂ 이종접합의 구조적 특성을 규명하였다.[74] Fig. 9는 g-C₃N₄, TiO₂ 및 g-C₃N₄-TiO₂의 투과전자현미경 (TEM) 이미지와 선택영역 전자회절 (SAED) 패턴을 보여준다. 이들은 g-C₃N₄ 나노층이 TiO₂ 나노입자 (TNP)로 균일하게 덮여 있음을 확인하였으며, 이는 g-C₃N₄와 TiO₂ 사이에 친밀한 인터페이스가 있음을 시사한다. 구체적으로, TiO₂ 나노입자가 g-C₃N₄의 층 구조 위에 증착되었음을 보여주는 것이다.

TiO₂와 유사하게 ZnO의 밴드갭은 약 ∼3.2 eV이며, ECB와 EVB는 각각 2.7 eV와 −0.5 eV이다.[75] 나노시트, 나노로드 등의 ZnO 나노구조체는 넓은 표면적, 높은 종횡비, 적절한 밴드갭, 낮은 독성, 우수한 안정성 및 낮은 제조 비용으로 인하여 최근까지 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만, 약 5.0%의 너무 낮은 광 흡수율을 극복해야한다는 문제가 있다. 이러한 문제의 해결을 위한 g-C₃N₄와의 이종접합은 전하 이동 및 분리를 개선하고 전자-정공 재결합을 방지할 수 있기 때문에 다양한 응용 분야에서 좋은 옵션으로 작용할 수도 있을 것이다. 열처리를 통해 제조된 g-C₃N₄-ZnO 복합체에서 g-C₃N₄의 최적 함량은 약 5.0 wt%이며, 수열 합성이 비용적으로 가장 저렴한 방법 중 하나로 알려져 있다.[76,77] Zhang 등은 용매열 합성법으로 금속 이온이 포함된 이온성 액체를 사용하여 g-C₃N₄-ZnO 복합체를 제조하였고, 순수한 TiO₂ 나노튜브와 비교하여 전력 변환이 1.04%에서 2.45%로 증가한다는 것을 규명하였다.[78] ZnO 나노입자와 g-C₃N₄ 나노시트를 출발 물질로 제조된 코어-쉘 유형의 g-C₃N₄@ZnO 나노복합체는 처음으로 광양극 (photoanode)으로 사용함으로써 가시광 하에서 페놀 분해에 대한 광전기촉매 (PEC) 성능을 보여주었다.(Fig. 10)[79]

V₂O₅, NiO, MoO₃, Cu₂O, CeO₂, Bi₂O₃, Al₂O₃ 등과 같은 금속 산화물도 벌크 g-C₃N₄의 성능을 향상시키는 데 사용되며, g-C₃N₄를 기반으로 하는 이종접합은 다양한 비금속/금속과 결합하거나 도핑하여 성능을 개선할 수 있다. 예를 들어, Cu/Al₂O₃/g-C₃N₄ 나는 수질 오염 처리에 큰 안정성을 보여주었고, Ag와 Au는 표면 플라즈몬 공명을 통해 급격한 재결합을 방지하고 가시광선 흡수 및 전자 전달을 향상 시킬 수 있으며, 유기 물질의 오염 제거에 활용될 수 있다.[80-82] 그리고, 비스무트 복합 산화물은 g-C₃N₄ 옆에 층상 구조를 갖는 가장 효율적인 촉매 재료 중 하나로, 특히 Bi₂O₃ 기반 재료는 여러 분야에서 큰 주목을 받아왔다. CuO₂/Bi₂O₃/g-C₃N₄ 나노복합체가 가시광선에서 2,4-디클로로페놀 분해에 가능성을 보여주었고, Bi₂O₃/V₂O₅/g-C₃N₄는 페놀 레드(PR) 제거를 위한 높은 효율을 입증하였다.[83,84]

벌크 g-C₃N₄ 및 나노시트는 적절한 전도대 (CB), 가전자대 (VB), 높은 표면적 및 적절한 밴드 갭 에너지로 인해 이산화탄소 변환, 오염물의 광분해, 물 분해 등의 광촉매 응용 분야에 많은 관심을 끌었다. g-C₃N₄는 활성 부위를 고정하기 위해 불포화 N 원자에 적합한 안정성을 가지고 있으나 전하 캐리어의 빠른 재결합으로 인해 가공되지 않은 g-C₃N₄는 광촉매 효율이 낮아 광범위한 적용 가능성이 제한된다. 다만, 다양한 합성 경로를 통하여 형상, 표면적, 다공성, 표면 및 격자 결함을 제어하고 도핑 또는 이종접합을 이용하여 밴드갭 에너지가 변경될 수 있다. 또한, 전자-정공 재결합 속도가 감소하고 전하 캐리어의 수명이 증가하면 광분해 메커니즘에 영향을 미치는 가시광선 효율이 향상되는 데 도움이 된다.

이산화탄소의 배출은 화석 연료 소비로 인해 발생하는 주요 환경 문제 중 하나로 지구온난화를 가속시키는 주 요인으로 알려져 있다. 광촉매를 이용한 이산화탄소 변환은 이산화탄소 배출을 감소시킬 뿐만 아니라 메탄 (CH₄) 및 메탄올 (CH₃OH) 등과 같은 연료를 생산하여 에너지 수요 해결에 큰 도움이 될 수 있다. ZnO와 TiO₂는 이산화탄소 변환을 위한 g-C₃N₄ 기반 재료로 널리 사용되며, 특히 TiO₂와 g-C₃N₄ 사이의 이종 구조는 낮은 전하 재결합 속도와 분리를 유도하여 72.2 μ molg^-1의 메탄 생성 수율을 가진다.[87] 또한, Fig. 11과 같이 중공 g-C₃N₄@CeO₂를 사용한 탄화수소 생성 속도에 대해서도 분석이 수행되었으며, g-C₃N₄와 CeO₂가 단일 재료로 사용될 때 보다 메탄이 더 높은 농도로 더욱 빨리 생성되는 결과를 보였고, 이는 각 재료의 시너지 효과와 더불어 산소 공극이 이산화탄소 환원에 중요한 역할을 하는 것이라 설명하였다.[88]

폐수에서 오염물을 제거하기 위해 응집, 흡착, 막 분리 등 다양한 방법이 사용되고 있으나 2차 오염을 발생시킬 수 있어 근본적으로는 유기 염료의 분해 과정이 필요하다. 대부분의 금속산화물 반도체는 태양에너지에 의해 반응이 활성화되어 유기물을 분해하고 제거할 수 있는 광촉매 작용을 할 수 있다. Shuang 등은 메틸 오렌지 염료 분해에 대한 효율성을 분석하기 위해 계층적으로 다공성 흑연 질화탄소 (hp-g-CN)를 개발하였다.[89] 멜라민 단량체는 과황산암모늄을 산화제로 사용하여 중합되었고, 촉매 활성은 벌크 g-C₃N₄와 비교하여 가시광선 조사를 사용하여 연구되었으며, hp-g-CN은 약 3배 가량 향상된 광분해 성능을 나타내었다. 109.3 m² g^-1의 향상된 표면적을 개발한 공정 시스템은 여러 가능성을 보여주지만, 단일 성분에서 광생성 전하 캐리어의 신속한 재결합은 염료 분해에 필요한 광촉매 효율을 충족할 수 없다. 이종 접합을 도입한 Barrio 등은 효율적인 특성을 지닌 g-C₃N₄ 및 Antimonene을 사용하여 새로운 2D/2D 샌드위치 이종 구조를 개발하였다.[90] 반데르발스 이종 구조 CNSb _x는 단순히 현탁액을 혼합하여 개발 및 제조되었으며, 높은 표면적과 활성 사이트를 갖춘 2D 대면 반데르발스 적층의 시너지 효과는 전자 수명 연장과 함께 향상된 전하 이동 역학을 보여주었다. 원래의 물질과 비교하여 개발된 이종 구조는 전하 분리와 함께 광 흡수를 향상시킬 뿐만 아니라, 조촉매 없이도 유기 오염물의 분해가 가능함을 확인하는데 사용되었다. 이러한 효율적인 염료 분해의 메커니즘은 첫째, g-C₃N₄의 가전자대에서 광생성 된 정공에 의한 산화가 발생하고, 둘째, g-C₃N₄ 전도대에서 Sb 전도대로 전자가 이동하여 분해 과정에 적극적으로 참여함에 따라 발생될 수 있음을 주장하였다.

최근 들어 다량의 광원을 사용하여 금속산화물-g-C₃N₄ 복합체에 의한 광촉매 물 분해로 수소를 생산 할 수 있는 기술들이 더욱 연구 개발되고 있다.[91,92] 물 분해의 경우 광촉매의 밴드 위치를 조절하여 수소 생성을 위한 H₂O 환원 전위보다 더 음수이고 H₂O 산화 전위보다 더 양성인 전도대 위치를 제공해야 한다. 생성된 전자는 각각 식 1과 식 2를 통해 수소 발생 반응과 산소 발생 반응에 사용되며, 최종 물 분해 반응은 식 3과 같다.[86]

TiO₂-g-C₃N₄ 이종접합 복합체는 수소 발생을 위한 우수한 광촉매로 널리 사용된다. Yanet 등은 TiO₂와 g-C₃N₄로 구성된 이원 복합체의 가시광 유도 수소 발생 효율이 향상되었으며 이는 바람직한 광유도 캐리어 분리에 기인함을 입증하였다.[93] 이러한 효율을 높이기 위해 다양한 유효 특성을 지닌 다른 종류의 물질도 사용된다. Ag, Au, Pt 등과 같은 조촉매는 양성자 환원을 위한 활성 사이트를 호스팅 할 수 있으며, 특히 Au 및 Ag를 로딩하는 것은 플라즈몬 특성으로 인해 큰 장점으로 작용할 수 있다. 플라즈모닉 광촉매는 빛의 파장보다 작은 크기의 금속 나노구조가 유전체나 반도체에 포함되어 있어 빛은 국부적 표면 플라즈몬 공명 (LSPR)과 핫 캐리어를 생성하여 전자기장을 유발할 수 있다. 여기서 핫 캐리어는 전도대 및 가전자대로 이동하며, 이 현상이 LSPR 민감화이다. Zhao 등의 연구에 따르면, Au의 LSPR은 빛 흡수를 향상시키고 Au/g-C₃N₄/CeO₂ 플라즈몬 이종접합에서 광 생성 캐리어의 수를 증가시킬 수 있음을 나타내었다.[94]

상술 된 내용과 더불어 광촉매로서 활용되는 g-C₃N₄ 기반 복합소재 시스템의 사례들을 Table 1에 간략하게 나타내었고, 이러한 선행연구 사례와 메커니즘 특성에 대해 분석하고 추가적인 논의가 이루어진다면 소재 선택 및 제조 방법에 따라 적용분야에서 다양한 시너지 효과를 나타낼 수 있을 것으로 사료된다.

다양한 혼합물에서 특정 분자를 선택적으로 감지할 수 있는 센서는 건강 모니터링, 질병 진단, 식품 안전 및 환경 개선을 위한 유망한 기술이다. 나노물질의 도입으로 바이오센서를 획기적으로 변화시킬 수 있는 발전이 이루어졌으며, 반도체 특성 기반 신호 출력의 경우 그 강도는 g-C₃N₄ 나노구조의 전자-정공 재결합 속도에 의해 조절될 수 있다. 재결합 속도는 생성된 전자 및 정공의 양과 전자 수용체 및 공여체에 의해 소비되는 생성된 전자 및 정공의 양에 따라 크게 달라진다. 이를 기반으로 다양한 센서가 개발되었으며, 이러한 센서에서는 주로 킬레이트화 및 산화 환원 반응, 항원 항체 및 효소 기질 상호 작용을 포함하는 분석 물질 인식 상호작용을 통해 g-C₃N₄의 전자-정공 쌍의 재조합 속도를 조절하여 선택적 감지가 이루어진다.[103]

g-C₃N₄의 형광 (FL) 특성은 중합 및 형태 변형 중 응축 정도와 나노복합체 생성을 통해 조절될 수 있다. 질화탄소의 FL 방출 파장은 전구체 응축 중에 가시광선 영역에서 지속적으로 조정 가능하고, 550° C에서 4시간 동안 고체 물질로 응축된 후, FL 피크는 고립된 질소 원자 쌍에서 π* 전도대로의 전이로 인해 λ _max = 480 nm로 장파장으로 이동된다. 벌크 g-C₃N₄과 비교하여 나노 크기의 g-C₃N₄은 일반적으로 더 높은 강도의 단파장 이동 FL 피크를 나타낸다. 더 높은 FL 강도는 나노 크기의 g-C₃N₄의 결함 및 종료 사이트로 인해 발생하며, 이는 전자 비편재화를 촉진하여 광생성된 전자-정공 재결합 확률을 증가시킨다. Zhang 등은 단층 g-C₃N₄ 양자점이 전형적인 2광자 흡수 특성을 나타내고 2개의 근적외선 광자를 동시에 흡수한 후 밝은 녹색 FL 방출을 방출한다는 것을 발견하였다.[104] 또한, Fig. 12. a에서와 같이, 나노복합체에서 g-C₃N₄의 FL 강도는 g-C₃N₄ 나노구조와 복합체의 다른 물질 사이의 광유도 전자 전달(PET)에 의해 조절될 수 있다. 물질의 산화환원 전위가 g-C₃N₄ 나노구조의 전도대와 가전자대 사이에 있는 경우, g-C₃N₄ 나노구조의 전도대에서 파트너 물질로의 PET로 인해 g-C₃N₄ 나노구조의 FL이 감소하고 그 반대도 마찬가지이다. Fig. 12. a는 MnO₂-g-C₃N₄ 샌드위치 나노복합체를 사용하여 글루타티온 검출을 위한 FL 센서를 나타낸다. 개발된 센서는 살아있는 세포의 글루티티온을 시각적으로 모니터링 하는데 사용되며, g-C₃N₄ 나노구조는 PET에서 전자 수용체 역할을 할 수도 있다. Wang 등은 g-C₃N₄ 나노시트가 PET를 통해 단일 DNA 프로브에 접합된 형광단의 PL을 여기된 형광단에서 g-C₃N₄ 나노시트의 CB까지 소멸시킨다는 것을 발견하였다.[105] Fig. 12. b에서 보듯이 단일 및 이중 가닥 DNA에 대한 g-C₃N₄ 나노시트의 친화력 차이와 PET로 유도된 형광단의 FL 소멸을 활용하여 저자는 DNA 및 앱타머 DNA 관련 분석물 검출을 위한 FL 감지 플랫폼을 개발하였고, 이 센서는 세포 내 마이크로 RNA 모니터링에 사용될 수 있다.

g-C₃N₄ 나노구조는 센서 소재로서 많은 장점에도 불구하고, g-C₃N₄ 나노시트의 전도성 기판과의 밀착성 향상과 센서 감도 개선 등 뚜렷한 한계를 가지고 있다.[103] 그러나, 센서 분야의 발전과 더불어 g-C₃N₄은 다중 변환 모드를 갖춘 탁월한 소재인 것만은 확실하다. 지금까지 개발되고 보고된 g-C₃N₄ 기반 센서들은 화학 및 바이오 분야에서 성과를 보였던 만큼 향후 기술적 보완과 더불어 실제 샘플의 감지에 적용할 수 있는 g-C₃N₄ 센서를 기대해도 좋을 듯하다.

급격한 에너지 위기의 증가로 고효율 에너지 저장 장치 분야에서도 g-C₃N₄ 물질의 높은 표면적, 저렴한 비용, 가용성 등의 이유로 저장용 전극으로 사용되었다.[106] 저장 메커니즘에서 저장을 가속화하는 두 가지 주요 요인은 전극과 전해질의 계면에서 높은 능력의 전하 축적에 영향을 미치는 비표면적과 두 번째로 전극과 전해질 사이의 계면에서 전해질 이온이 이용 가능하다는 것이다. 기공 크기 외에도 표면 기능화 및 전기 전도성도 시스템의 비 정전 용량을 향상시키는 데 도움이 된다. 2D g-C₃N₄의 용량 유지 및 안정성을 향상시키기 위해 Talukdar 등은 소형 전자 장치 제작을 위한 전기화학적 이중층 커패시턴스 (EDLC)와 패러데이 재료 기반의 유연한 평면 내 마이크로 슈퍼 커패시터의 접합체를 보고하였다.(Fig. 13)[107] 구체적으로, g-C₃N₄가 이온과 전자의 전달을 향상시키는 데 도움이 되고 FeNi₃는 2D 시트의 응집을 방지하여 용량을 증가시키는 데 도움이 되는 FeNi₃ 나노입자와 흑연질탄소의 복합체를 제조하였다. 결과적으로 유연한 마이크로 슈퍼커패시터는 약 38% 향상된 뛰어난 양자 커패시턴스, 기존 슈퍼커패시터보다 약 17배 높은 전력 밀도, 19.21 mFcm^-2의 면적 커패시턴스, 사이클링 안정성 및 최대 94%의 향상된 용량 유지력을 나타내었다. 순환 전압전류법 연구와 정전류 충전-방전 연구는 서로 다른 농도의 KOH를 전해질로 사용하는 3개 전극 시스템에서 수행되었으며, CV 에 표시된 준 직사각형 곡선은 전기 이중층 커패시턴스 (EDLC)와 패러데이 반응으로 인한 전하 저장의 시너지 메커니즘을 나타내는 이상적인 슈퍼커패시터의 동작을 제안하였다. GCD 곡선을 통해 더 자세히 조사해 보면 전하 저장 뒤의 메커니즘이 삽입과 흡착의 혼합이라는 사실이 밝혀졌고, 시스템에 다량의 FeNi₃ 나노입자가 포함되어 있어 적층형 재료의 극성을 향상시킬 뿐만 아니라 질소 함량이 높으면 전도성이 향상되어 궁극적으로 전하 이동에 도움이 된다. 따라서, 개발된 시스템은 평면 내 마이크로 슈퍼커패시터 분야에서 더 높은 작동 전류 및 전압에 대한 향후 요구 사항을 충족하는 데 큰 도움이 될 수 있다.

지난 수십 년 동안 플라스틱을 사용해 왔으며 대부분의 포장재는 생분해되지 않는 석유 기반 고분자로 만들어져 환경에 위협이 되고 있다. 이에 대해 생분해성 고분자 재료의 새로운 개발이 연구되고 플라스틱 대체재로서의 용도가 검증되어야 한다. 최근 몇 년 동안 나노재료는 포장에서 매트릭스의 성능을 크게 향상시키기 위해 고분자와 함께 나노필러로 연구되었다. 2차원 시트 구조의 나노 물질은 표면적이 넓어 상위 매트릭스와 호스트 매트릭스 사이의 뛰어난 상호 작용에 도움이 되고, 소량의 첨가만으로 고분자 성능의 유리한 특성을 높일 수 있다. Mousavi 등은 Cu 증착된 g-C₃N₄ 나노 입자를 사용하여 포장 필름을 개발했으며, 여기서 나노 물질은 전분/NaAlg 생체 복합재로 강화되었다.[108] 저자는 나노입자의 존재가 인장 강도를 36.57 ± 0.09 MPa 로 향상시키고 장벽 특성을 3.05 ± 0.1 × 10^-13 kg/msPa 로 감소시키는 데 도움이 되었다고 설명한다. 부패 없이 식품의 유통기한을 일정 수준까지 연장하는 데 도움이 되는 항균 특성이 추가 연구되었으며, 이러한 연구 결과를 바탕으로 2차원 g-C₃N₄ 나노시트가 식품 포장 분야에서 혁신적 발전을 가져올 것으로 예상할 수 있다.