Синтез на перовскит чрез ултразвук
Ултразвуково индуцираните и засилени реакции предлагат фацилен, прецизно контролируем и гъвкав метод на синтез за производство на светлинно активирани материали, които често не могат да бъдат приготвени чрез конвенционални техники.
Ултразвуковата кристализация и утаяване на перовскитни кристали е високоефективна и икономична техника, която позволява да се произвеждат перовскитни нанокристали в промишлен мащаб за масово производство.
Ултразвуков синтез на перовскитни нанокристали
Органично-неорганичните оловно-халогенни перовскити показват изключителни оптоелектронни свойства като високо поглъщане на светлина, много дълъг живот на носителя, дължина на дифузия на носителя и висока подвижност на носителя, което прави перовскитните съединения превъзходен функционален материал за високоефективни приложения в слънчеви панели, светодиоди, фотодетектори, лазери и др.
Ултразвукът е един от физическите методи за ускоряване на различни органични реакции. Процесът на кристализация се влияе и контролира от ултразвуковата обработка, което води до контролируеми свойства на еднокристалните перовскитни наночастици.
TEM изображения за CH3nH3PbBr3 QD (а) с и (б) без ултразвукова обработка.
UIP2000hdT с реактор с проточна клетка под налягане
Казуси от ултразвуковия синтез на перовскит
Изследванията са провели различни видове ултразвуков растеж на перовскитни кристали. По принцип перовскитните кристали се приготвят по метода на течен растеж. За да се утаят перовскитни кристали, разтворимостта на целевите проби се намалява бавно и се контролира в разтвор на прекурсор. Ултразвуковото утаяване на перовскитни нанокристали се основава главно на антиразтворително охлаждане.
Ултразвукова кристализация на перовскитни нанокристали
Jang et al. (2016) съобщават за успешния ултразвуков синтез на оловно-халогенни перовскитни нанокристали. Използване на ултразвук, APbX3 перовскитни нанокристали с широк спектър от състави, където A = CH3nH3, Cs или HN=CHNH3 (формамидиний) и X = Cl, Br или I, бяха утаени. Ултразвукът ускорява процеса на разтваряне на прекурсорите (AX и PbX2) в толуен, а скоростта на разтваряне определя скоростта на растеж на нанокристалите. Впоследствие изследователският екип произвежда високочувствителни фотодетектори чрез хомогенно спиниране на нанокристали с еднакъв размер върху субстрати от силициев оксид с голяма площ.
Разпределение на размерите на частиците на CH3NH3PbBr3 (a) с и (b) без ултразвукова обработка.
Chen et al. 2017
Ултразвукова асиметрична кристализация на перовскит
Peng et al. (2016) разработи нов метод за растеж, базиран на асиметрична кристализация, предизвикана от кавитация (CTAC), която насърчава хетерогенната нуклеация, като осигурява достатъчно енергия за преодоляване на нуклеационната бариера. Накратко, те въвеждат много къси ултразвукови импулси (≈ 1 сек) в разтвора, когато той достига ниско ниво на пренасищане с дифузия на антиразтворителна пара. Ултразвуковият импулс се въвежда при високи нива на пренасищане, където кавитацията предизвиква прекомерни събития на нуклеация и следователно растеж на множество малки кристали. Обещаващо, MAPbBr3 Монокристалните филми растат на повърхността на различни субстрати в рамките на няколко часа след цикличната ултразвукова обработка.
Ултразвуков синтез на перовскитни квантови точки
Chen et al. (2017) представят в своята изследователска работа ефективен метод за приготвяне на перовскитни квантови точки (QD) при ултразвуково облъчване. Ултразвукът се използва като механичен метод, за да се ускори утаяването на перовскитните квантови точки. Процесът на кристализация на перовскитните квантови точки се засилва и контролира от ултразвуковата обработка, което води до прецизно пригоден размер на нанокристалите. Анализът на структурата, размера на частиците и морфологията на перовскитните квантови точки показа, че ултразвуковата кристализация дава по-малки размери на частиците и по-равномерно разпределение на размера на частиците. Използвайки ултразвуковия (= сонохимичен) синтез, беше възможно да се получат и перовскитни квантови точки с различен химичен състав. Тези различни състави в перовскитните кристали позволяват да се установят неспособни пикове на излъчване и адсорбционни ръбове на CH3nH3PbX3 (X = Cl, Br и I), което доведе до изключително широка цветова гама.
Ултразвукова дисперсия
Ултразвукът на суспензии и мастила от наночастици е надеждна техника за хомогенното им диспергиране преди нанасяне на наносуспензията върху субстрати като решетки или електроди. (срв. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ултразвуковата дисперсия лесно се справя с високи концентрации на твърди вещества (напр. пасти) и разпределя наночастиците в единично диспергирани частици, така че да се получи равномерна суспензия. Това гарантира, че при последващо нанасяне, когато основата е покрита, никакво слепване като агломератите не влошава работата на покритието.
Ултразвуковата дисперсия подготвя равномерни суспензии с наноразмер: зелена крива – Преди ултразвук / Червена крива след ултразвук
Ултразвукови процесори за утаяване на перовскит
Hielscher Ultrasonics проектира и произвежда високоефективни ултразвукови системи за сонохимичен синтез на висококачествени перовскитни кристали. Като лидер на пазара и с дългогодишен опит в ултразвуковата обработка, Hielscher Ultrasonics подпомага своите клиенти от първия тест за осъществимост до оптимизацията на процеса до окончателното инсталиране на индустриални ултразвукови процесори за широкомащабно производство. Предлагайки пълното портфолио от лабораторни и настолни ултразвукови апарати до индустриални ултразвукови процесори, Hielscher може да ви препоръча идеалното устройство за вашия нанокристален процес.
Всички ултразвукови апарати на Hielscher са прецизно управляеми и могат да бъдат настроени от много ниски до много високи амплитуди. Амплитудата е един от основните фактори, който влияе върху въздействието и разрушителността на процесите на ултразвук. Ултразвук на Hielscher’ Ултразвуковите процесори осигуряват много широк спектър от амплитуди, покриващи диапазона от много меки и меки до много интензивни и разрушителни приложения. Изборът на правилната настройка на амплитудата, усилвателя и сонотрода позволява да се зададе необходимото ултразвуково въздействие за вашия конкретен процес. Специална вложка за реактор с проточна клетка на Hielscher MPC48 – MultiPhaseCavitator (вижте снимката вляво) – Позволява да се инжектира втората фаза чрез 48 канюли като тънък щам в кавитационната гореща точка, където високоефективните ултразвукови вълни разпръскват двете фази в хомогенна смес. MultiPhaseCavitator е идеален за иницииране на кристални точки на засяване и за контрол на реакцията на утаяване на перовскитни нанокристали.
Индустриалните ултразвукови процесори на Hielscher могат да осигурят изключително високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява 24/7 работа при тежки натоварвания и в взискателни среди.
Нашите клиенти са доволни от изключителната здравина и надеждност на системите на Hielscher Ultrasonic. Монтажът в области с тежки натоварвания, взискателни среди и работа 24/7 осигуряват ефективна и икономична обработка. Ултразвуковата интензификация на процеса намалява времето за обработка и постига по-добри резултати, т.е. по-високо качество, по-високи добиви, иновативни продукти.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 0.5 до 1,5 мл | Н.А. | ФлаконВисокоговорител за високи честоти |
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Високомощни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да летец и Индустриален мащаб.
Литература/Препратки
- Raphaëlle Belchi; Aurélie Habert; Eddy Foy; Alexandre Gheno; Sylvain Vedraine; Rémi Antony; Bernard Ratier; Johann Bouclé; Nathalie Herlin-Boimecor (2019): One-Step Synthesis of TiO2/Graphene Nanocomposites by Laser Pyrolysis with Well-Controlled Properties and Application in Perovskite Solar Cells. ACS Omega. 2019 Jul 31; 4(7): 11906–11913.
- Dong Myung Jang, Duk Hwan Kim, Kidong Park, Jeunghee Park, Jong Woon Lee, Jae Kyu Song (2016): Ultrasound synthesis of lead halide perovskite nanocrystals. Journal of Materials Chemistry C. Issue 45, 2016.
- Lung-Chien Chen, Zong-Liang Tseng, Shih-You Chen, Shengyi Yang (2017): An ultrasonic synthesis method for high-luminance perovskite quantum dots. Cermaics international 43, 2017. 16032-16035.
- Birgit Pichler; Kurt Mayer; Prof. Viktor Hacker (2018): Long‐Term Operation of Perovskite‐Catalyzed Bifunctional Air Electrodes in Rechargeable Zinc‐Air Flow Batteries. Batteries & Supercaps Vol. 2, Issue 4, April 2019. 387-395.
- Wei Peng, Lingfei Wang, Banavoth Murali, Kang-Ting Ho, Ashok Bera, Namchul Cho, Chen-Fang Kang, Victor M. Burlakov, Jun Pan, Lutfan Sinatra, Chun Ma, Wei Xu, Dong Shi, Erkki Alarousu, Alain Goriely, Jr-Hau He, Omar F. Mohammed, Tom Wu, Osman M. Bakr (2016): Solution-Grown Monocrystalline Hybrid Perovskite Films for Hole-Transporter-Free Solar Cells. Advanced Materials 2016.
Факти, които си струва да знаете
Перовскит
Перовскит е термин, който описва минерала перовскит (известен също като калциев титанов оксид или калциев титанат, химическа формула CaTiO3), както и специфична структура на материала. В съответствие със същото име, минералът перовскит се отличава с перовскитната структура.
Перовскитните съединения могат да се срещат в кубична, тетрагонална или орторомбична структура и имат химическа формула ABX3. A и B са катиони, докато X представлява анион, който се свързва и с двете. В перовскитните съединения катионът А е значително по-голям от катиона В. Други минерали с перовскитна структура са лопарит и бриджманит.
Перовскитите имат уникална кристална структура и в тази структура могат да се комбинират различни химични елементи. Поради специалната кристална структура, перовскитните молекули могат да проявяват различни ценни свойства, като свръхпроводимост, много високо магнитосъпротивление и/или фероелектричество, което прави тези съединения много интересни за промишлени приложения. Освен това голям брой различни елементи могат да се комбинират заедно, за да образуват перовскитни структури, което прави възможно комбинирането, модифицирането и засилването на определени характеристики на материала. Изследователи, учени и разработчици на процеси използват тези опции за селективно проектиране и оптимизиране на перовскитните физически, оптични и електрически характеристики.
Техните оптоелектронни свойства правят хибридните перовскити идеални кандидати за приложения на слънчеви клетки, а перовскитните слънчеви клетки са обещаваща технология, която може да помогне за производството на големи количества чиста, екологична енергия.
Критични оптоелектронни параметри на монокристалния перовскит, докладвани в литературата:
τs = 28 ns τb = 300 ns PL
1,3–4,3 μm3 × 1010MAPbI31,51 eV 820 nm67,2 (SCLC)
τs = 18 ns τb = 570 ns PL
1,8–10,0 μm1,4 × 1010MAPbI3850 nm164 ± 25 Подвижност на дупки (SCLC) 105 Подвижност на дупки (Хол) 24 ± 6.8 електрон SCLC
82 ± 5 μs TPV 95 ± 8 μs импедансна спектроскопия (IS)9 × 109 p175 ± 25 μm3,6 × 1010 за отвор 34.5 × 1010 за electronMAPbI31.53 eV 784 nm34 Зала
8.8 × 1011 p
1.8 × 109 за дупка 4.8 × 1010 за electronMAPbBr31.53 eV 784 nm34 Зала
8.8 × 1011 p
1.8 × 109 за дупка 4.8 × 1010 за electronMAPbBr32.24 eV 537 nm4.36 Хол
3.87 × 1012 p
2.6 × 1010 за отвор 1.1 × 1011 за electronMAPbCl32.24 eV 537 nm4.36 Хол
3.87 × 1012 p
2.6 × 1010 за отвор 1.1 × 1011 за electronMAPbCl32.97 eV 402 nm179 Зала
5.1 × 109 N
MAPbCl32,88 eV 440 nm42 ± 9 (SCLC)2,7 × 10-8τs = 83 ns τb = 662 ns PL4.0 × 109 p3,0–8,5 μm3,1 × 1010FAPbI31.49 eV 870 nm40 ± 5 Подвижност SCLC1.8 × 10-8
2.8 × 109
1.34 × 1010
| Материали | Пропуск на лентата или начало на абсорбцията | Мобилност [cm2 V-1 s-1] | Проводимост [Ω-1 См-1] | Живот и метод на превозвача | Концентрация и тип носител [cm-3] (n или p) | Дължина на дифузията | Плътност на капана [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2.21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (зала) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 нс (PL) | 5 × 109 до 5 × 1010 p | 3–17 μm | 5.8 × 109 |