Sinteza perovskita ultrazvukom
Ultrazvučno inducirane i intenzivirane reakcije nude laku, precizno kontroliranu i svestranu metodu sinteze za proizvodnju svjetlosno aktiviranih materijala, koji se često ne mogu pripremiti konvencionalnim tehnikama.
Ultrazvučna kristalizacija i taloženje kristala perovskita je vrlo efikasna i ekonomična tehnika, koja omogućava proizvodnju nanokristala perovskita u industrijskoj mjeri za masovnu proizvodnju.
Ultrazvučna sinteza nanokristala perovskita
Organski-anorganski olovni halogenidni perovskiti pokazuju izuzetna optoelektronska svojstva kao što su visoka apsorpcija svjetlosti, veoma dug životni vijek nosača, dužina difuzije nosača i visoka mobilnost nosača, što čini spojeve perovskita vrhunskim funkcionalnim materijalom za primjenu visokih performansi u solarnim panelima, LED diodama. , fotodetektori, laseri itd.
Ultrazvuk je jedna od fizičkih metoda za ubrzavanje raznih organskih reakcija. Na proces kristalizacije utiče i kontroliše ultrazvučni tretman, što rezultira kontrolisanim svojstvima veličine monokristalnih nanočestica perovskita.
TEM slike za CH3nH3PbBr3 QD (a) sa i (b) bez ultrazvučnog tretmana.
UIP2000hdT sa reaktorom protočne ćelije pod pritiskom
Studije slučaja ultrazvučne sinteze perovskita
Istraživanja su sprovela više vrsta ultrazvučno potpomognutog rasta kristala perovskita. Općenito, kristali perovskita se pripremaju metodom rasta u tekućini. Kako bi se istaložili kristali perovskita, rastvorljivost ciljnih uzoraka se polako i kontrolirano smanjuje u otopini prekursora. Ultrazvučna precipitacija nano kristala perovskita uglavnom se zasniva na gašenju antisolventom.
Ultrazvučna kristalizacija nanokristala perovskita
Jang et al. (2016) izvještavaju o uspješnoj ultrazvučno potpomognutoj sintezi olovnih halogenih perovskitnih nanokristala. Koristeći ultrazvuk, APbX3 nanokristali perovskita sa širokim spektrom sastava, gdje je A = CH3nH3, Cs ili HN=CHNH3 (formamidinijum), i X = Cl, Br, ili I, su istaloženi. Ultrazvučna obrada ubrzava proces rastvaranja prekursora (AX i PbX2) u toluenu, a brzina rastvaranja određuje brzinu rasta nanokristala. Nakon toga, istraživački tim je proizveo fotodetektore visoke osjetljivosti homogenim centrifugiranjem nanokristala ujednačene veličine na podlogama od silicijum oksida velike površine.
Raspodjela veličine čestica CH3NH3PbBr3 (a) sa i (b) bez ultrazvučnog tretmana.
Chen et al. 2017
Ultrazvučna asimetrična kristalizacija perovskita
Peng et al. (2016) razvili su novu metodu rasta zasnovanu na asimetričnoj kristalizaciji izazvanoj kavitacijom (CTAC), koja promovira heterogenu nukleaciju tako što daje dovoljno energije za prevazilaženje nukleacijske barijere. Ukratko, uveli su vrlo kratke ultrazvučne impulse (≈ 1sec) u otopinu kada je dosegla nizak nivo prezasićenosti sa difuzijom pare antisolventa. Ultrazvučni puls se uvodi na visokim nivoima prezasićenosti, gdje kavitacija pokreće prekomjerne događaje nukleacije i stoga rast mnoštva sićušnih kristala. Obećavajuće, MAPbBr3 monokristalni filmovi izrasli su na površini različitih supstrata u roku od nekoliko sati nakon cikličkog tretmana ultrazvukom.
Ultrazvučna sinteza perovskitnih kvantnih tačaka
Chen et al. (2017) u svom istraživačkom radu predstavljaju efikasnu metodu za pripremu perovskitnih kvantnih tačaka (QD) pod ultrazvučnim zračenjem. Ultrazvuk se koristi kao mehanička metoda kako bi se ubrzalo taloženje perovskitnih kvantnih tačaka. Proces kristalizacije kvantnih tačaka perovskita je intenziviran i kontroliran ultrazvučnim tretmanom, što rezultira precizno prilagođenom veličinom nanokristala. Analiza strukture, veličine čestica i morfologije perovskitnih kvantnih tačaka pokazala je da ultrazvučna kristalizacija daje manje veličine čestica i ujednačeniju distribuciju veličine čestica. Koristeći ultrazvučnu (= sonohemijsku) sintezu, takođe je bilo moguće proizvesti perovskitne kvantne tačke sa različitim hemijskim sastavima. Ti različiti sastavi u kristalima perovskita omogućili su nemogućnost emisionih vrhova i adsorpcijskih rubova CH3nH3PbX3 (X = Cl, Br i I), što je dovelo do izuzetno širokog spektra boja.
Ultrazvučna disperzija
Ultrazvučna obrada suspenzija nano čestica i mastila je pouzdana tehnika za njihovu homogenu disperziju prije nanošenja nano suspenzije na podloge kao što su rešetke ili elektrode. (usp. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ultrazvučna disperzija lako se nosi sa visokim koncentracijama čvrstih materija (npr. paste) i distribuira nanočestice u jednodisperzne čestice tako da se proizvodi uniformna suspenzija. Ovo osigurava da pri naknadnoj primjeni, kada je podloga premazana, nema grudvica kao što su aglomerati, ne narušavaju performanse premaza.
Ultrazvučna disperzija priprema uniformne suspenzije nano veličine: zelena kriva – prije ultrazvuka / crvena krivulja nakon sonikacije
Ultrazvučni procesori za taloženje perovskita
Hielscher Ultrasonics dizajnira i proizvodi ultrazvučne sisteme visokih performansi za sonohemijsku sintezu visokokvalitetnih kristala perovskita. Kao lider na tržištu i sa dugogodišnjim iskustvom u ultrazvučnoj obradi, Hielscher Ultrasonics pomaže svojim klijentima od prvog testa izvodljivosti do optimizacije procesa do konačne instalacije industrijskih ultrazvučnih procesora za proizvodnju velikih razmera. Nudeći cijeli portfelj od laboratorijskih i stonih ultrazvučnih uređaja do industrijskih ultrazvučnih procesora, Hielscher vam može preporučiti idealan uređaj za vaš nanokristalni proces.
Svi Hielscher ultrasonikatori su precizno kontrolirani i mogu se podesiti od vrlo niskih do vrlo visokih amplituda. Amplituda je jedan od glavnih faktora koji utječe na utjecaj i destruktivnost procesa sonikacije. Hielscher Ultrasonics’ ultrazvučni procesori isporučuju vrlo širok spektar amplituda koji pokrivaju raspon od vrlo blagih i mekih do vrlo intenzivnih i destruktivnih primjena. Odabir prave postavke amplitude, pojačivača i sonotrode omogućava postavljanje potrebnog ultrazvučnog udara za vaš specifični proces. Hielscherov specijalni umetak reaktora s protočnim ćelijama MPC48 – MultiPhaseCavitator (vidi sliku lijevo) – omogućava ubrizgavanje druge faze preko 48 kanila kao tankog naprezanja u kavitacionu vruću tačku, gdje ultrazvučni talasi visokih performansi raspršuju dvije faze u homogenu smjesu. MultiPhaseCavitator je idealan za pokretanje tačaka zasijavanja kristala i za kontrolu reakcije taloženja nanokristala perovskita.
Hielscher industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti izuzetno visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi kontinuirano u radu 24 sata dnevno. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima.
Naši kupci su zadovoljni izvanrednom robusnošću i pouzdanošću Hielscher Ultrasonic sistema. Instalacija u područjima teške primjene, zahtjevnim okruženjima i 24/7 rad osigurava efikasnu i ekonomičnu obradu. Ultrazvučno intenziviranje procesa skraćuje vrijeme obrade i postiže bolje rezultate, odnosno veći kvalitet, veći prinosi, inovativni proizvodi.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0.5 do 1.5 mL | N / A | VialTweeter |
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni homogenizatori velike snage od lab to pilot i industrijske razmjere.
Literatura/Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
perovskite
Perovskit je izraz koji opisuje mineral Perovskit (također poznat kao kalcijum titan oksid ili kalcijum titanat, hemijska formula CaTiO3) kao i specifičnu strukturu materijala. U skladu sa istim imenom, mineral Perovskit ima strukturu perovskita.
Jedinjenja perovskita mogu se pojaviti u kubičnoj, tetragonalnoj ili ortorombičkoj strukturi i imaju hemijsku formulu ABX3. A i B su kationi, dok X predstavlja anjon, koji se vezuje za oba. U jedinjenjima perovskita, A kation je znatno veći od B kationa. Ostali minerali sa strukturom perovskita su loparit i bridžmanit.
Perovskiti imaju jedinstvenu kristalnu strukturu iu ovoj strukturi se mogu kombinovati različiti hemijski elementi. Zbog posebne kristalne strukture, molekule perovskita mogu pokazati različita vrijedna svojstva, kao što su supravodljivost, vrlo visoka magnetootpornost i/ili feroelektričnost, što te spojeve čini vrlo interesantnim za industrijsku primjenu. Nadalje, veliki broj različitih elemenata može se kombinirati zajedno kako bi se formirale strukture perovskita, što omogućava kombiniranje, modificiranje i intenziviranje određenih karakteristika materijala. Istraživači, naučnici i programeri procesa koriste te opcije za selektivni dizajn i optimizaciju fizičkih, optičkih i električnih karakteristika perovskita.
Njihova optoelektronska svojstva čine hibridne perovskite idealnim kandidatima za primjenu solarnih ćelija, a perovskitne solarne ćelije su obećavajuća tehnologija, koja bi mogla pomoći u proizvodnji velikih količina čiste, ekološki prihvatljive energije.
Kritični optoelektronski parametri monokristalnog perovskita navedeni u literaturi:
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 Pokretljivost rupa (SCLC) 105 Pokretljivost rupa (Hall) 24 ± 6,8 elektrona SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs impedansna spektroskopija (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3,6 × 1010 za rupu 34,5 × 1010 za elektronMAPbI31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 str
1,8 × 109 za rupu 4,8 × 1010 za elektronMAPbBr31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 str
1,8 × 109 za rupu 4,8 × 1010 za elektronMAPbBr32,24 eV 537 nm4,36 Hall
3,87 × 1012 str
2,6 × 1010 za rupu 1,1 × 1011 za elektronMAPbCl32,24 eV 537 nm4,36 Hall
3,87 × 1012 str
2,6 × 1010 za rupu 1,1 × 1011 za elektronMAPbCl32,97 eV 402 nm179 Hall
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 Pokretljivost rupa SCLC1,8 × 10-8
2,8 × 109
1,34 × 1010
| materijala | Razmak u pojasu ili početak apsorpcije | Pokretljivost [cm2 V-1 s-1] | Konduktivnost [Ω-1 cm-1] | Životni vijek nosača i način | Koncentracija i tip nosača [cm-3] (n ili p) | Dužina difuzije | Gustina zamke [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (sala) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τB = 457 ns (PL) | 5 × 109 do 5 × 1010 str | 3–17 µm | 5,8 × 109 |