Síntesis de perovskita mediante ultrasonicación

Las reacciones inducidas e intensificadas por ultrasonidos ofrecen un método de síntesis sencillo, versátil y controlable con precisión para producir materiales activados por la luz, que a menudo no pueden prepararse mediante técnicas convencionales.
La cristalización y precipitación ultrasónicas de cristales de perovskita constituyen una técnica altamente eficaz y económica que permite producir nanocristales de perovskita a escala industrial para la producción en masa.

Síntesis ultrasónica de nanocristales de perovskita

Las perovskitas orgánicas–inorgánicas de haluros de plomo presentan propiedades optoelectrónicas excepcionales, como una elevada absorción de luz, una vida útil muy prolongada de los portadores de carga, una longitud de difusión de los portadores y una elevada movilidad de los portadores, lo que convierte a los compuestos de perovskita en un material funcional superior para aplicaciones de alto rendimiento en paneles solares, LED, fotodetectores, láseres, etc.
La ultrasonicación es uno de los métodos físicos utilizados para acelerar diversas reacciones orgánicas. El tratamiento ultrasónico influye en el proceso de cristalización y lo controla, lo que permite controlar el tamaño de las nanopartículas monocristalinas de perovskita.

Imágenes TEM de puntos cuánticos de CH₃NH₃PbBr₃ (a) con y (b) sin tratamiento ultrasónico.

Estudios de caso sobre la síntesis ultrasónica de perovskita

Se han investigado múltiples modalidades de crecimiento de cristales de perovskita asistido por ultrasonidos. En general, los cristales de perovskita se preparan mediante el método de crecimiento en fase líquida. Para precipitar los cristales de perovskita, la solubilidad de las muestras objetivo se reduce lentamente y de forma controlada en una solución precursora. La precipitación ultrasónica de nanocristales de perovskita se basa principalmente en una precipitación rápida inducida por un antisolvente.

Cristalización ultrasónica de nanocristales de perovskita

Jang et al. (2016) describen la síntesis satisfactoria de nanocristales de perovskita de haluros de plomo asistida por ultrasonidos. Mediante ultrasonidos, se precipitaron nanocristales de perovskita APbX₃ con una amplia gama de composiciones, donde A = CH₃NH₃, Cs o HN=CHNH₃ (formamidinio), y X = Cl, Br o I. La ultrasonicación acelera el proceso de disolución de los precursores (AX y PbX₂) en tolueno, y la velocidad de disolución determina la velocidad de crecimiento de los nanocristales. Posteriormente, el equipo de investigación fabricó fotodetectores de alta sensibilidad depositando homogéneamente los nanocristales de tamaño uniforme sobre sustratos de óxido de silicio de gran superficie mediante recubrimiento por centrifugación.

Distribuciones del tamaño de partícula de CH3NH3PbBr3 (a) con y (b) sin tratamiento ultrasónico.
Chen et al. 2017

Cristalización asimétrica ultrasónica de perovskita

Peng et al. (2016) desarrollaron un nuevo método de crecimiento basado en la cristalización asimétrica desencadenada por cavitación (CTAC), que favorece la nucleación heterogénea al aportar suficiente energía para superar la barrera de nucleación. En síntesis, aplicaron pulsos ultrasónicos muy breves (≈ 1sec) a la solución cuando esta alcanzó un nivel bajo de sobresaturación mediante difusión de vapor de antisolvente. El pulso ultrasónico se introduce a niveles elevados de sobresaturación, donde la cavitación desencadena un número excesivo de eventos de nucleación y, por tanto, el crecimiento de una multitud de cristales diminutos. Como resultado prometedor, películas monocristalinas de MAPbBr₃ crecieron sobre la superficie de diversos sustratos en varias horas de tratamiento cíclico de ultrasonicación.

Síntesis ultrasónica de puntos cuánticos de perovskita

Chen et al. (2017) presentan en su trabajo de investigación un método eficaz para preparar puntos cuánticos (QDs) de perovskita mediante irradiación ultrasónica. La ultrasonicación se utiliza como método mecánico para acelerar la precipitación de puntos cuánticos de perovskita. El tratamiento ultrasónico intensifica y controla el proceso de cristalización de los puntos cuánticos de perovskita, lo que permite ajustar con precisión el tamaño de los nanocristales. El análisis de la estructura, el tamaño de partícula y la morfología de los puntos cuánticos de perovskita mostró que la cristalización ultrasónica proporciona tamaños de partícula menores y una distribución del tamaño de partícula más uniforme. Mediante la síntesis ultrasónica (= sonoquímica), también fue posible producir puntos cuánticos de perovskita con diferentes composiciones químicas. Estas diferentes composiciones de los cristales de perovskita permitieron ajustar los picos de emisión y los bordes de adsorción de CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br e I), lo que dio lugar a una gama de colores extremadamente amplia.

Dispersión ultrasónica

La ultrasonicación de suspensiones de nanopartículas y tintas es una técnica fiable para dispersarlas homogéneamente antes de aplicar la nanosuspensión sobre sustratos como rejillas o electrodos. (cf. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
La dispersión ultrasónica permite trabajar fácilmente con concentraciones elevadas de sólidos (p. ej., pastas) y dispersa las nanopartículas individualmente para producir una suspensión uniforme. Esto garantiza que, durante la aplicación posterior, al recubrir el sustrato, ninguna agrupación de partículas, como los aglomerados, perjudique el rendimiento del recubrimiento.

La dispersión ultrasónica permite preparar suspensiones uniformes de partículas de tamaño nanométrico: curva verde – antes de la sonicación / curva roja – después de la sonicación

Procesadores ultrasónicos para la precipitación de perovskita

Hielscher Ultrasonics diseña y fabrica sistemas ultrasónicos de alto rendimiento para la síntesis sonoquímica de cristales de perovskita de alta calidad. Como líder del mercado y con una amplia experiencia en el procesamiento ultrasónico, Hielscher Ultrasonics acompaña a sus clientes desde la primera prueba de viabilidad y la optimización del proceso hasta la instalación final de procesadores ultrasónicos industriales para la producción a gran escala. Gracias a su gama completa, desde sonicadores de laboratorio y de sobremesa hasta procesadores ultrasónicos industriales, Hielscher puede recomendarle el equipo ideal para su proceso de nanocristales.
Todos los sonicadores Hielscher pueden controlarse con precisión y ajustarse desde amplitudes muy bajas hasta amplitudes muy altas. La amplitud es uno de los principales factores que influyen en el efecto y el carácter destructivo de los procesos de sonicación. Los procesadores ultrasónicos de Hielscher Ultrasonics ofrecen una gama muy amplia de amplitudes que abarca desde aplicaciones muy suaves y delicadas hasta aplicaciones muy intensas y destructivas. La elección del ajuste de amplitud, el amplificador de amplitud y el sonotrodo adecuados permite establecer el efecto ultrasónico necesario para su proceso específico. El inserto especial MPC48 – MultiPhaseCavitator de Hielscher para reactores de celda de flujo –véase la imagen de la izquierda– permite inyectar la segunda fase a través de 48 cánulas en forma de «thin strain» en la zona de máxima actividad de cavitación, donde las ondas ultrasónicas de alto rendimiento dispersan las dos fases para formar una mezcla homogénea. El MultiPhaseCavitator es ideal para iniciar puntos de siembra de cristales y controlar la reacción de precipitación de nanocristales de perovskita.
Los procesadores ultrasónicos industriales Hielscher pueden proporcionar amplitudes extraordinariamente altas. Pueden funcionar fácilmente de forma continua con amplitudes de hasta 200 µm en régimen de funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos ultrasónicos Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intenso y en entornos exigentes.
Nuestros clientes están satisfechos con la excepcional robustez y fiabilidad de los sistemas de Hielscher Ultrasonic. Su instalación en aplicaciones de trabajo intenso, entornos exigentes y regímenes de funcionamiento 24/7 garantiza un procesamiento eficiente y económico. La intensificación de procesos mediante ultrasonidos reduce el tiempo de procesamiento y consigue mejores resultados, es decir, mayor calidad, mayores rendimientos y productos innovadores.
La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: