سنتز پروسکایت با فراصوت‌دهی
واکنش‌هایی که با فراصوت القا و تشدید می‌شوند، روشی آسان، دقیقاً قابل‌کنترل و چندمنظوره برای سنتز مواد فعال‌شونده با نور فراهم می‌کنند؛ موادی که اغلب با روش‌های متداول قابل تهیه نیستند.
تبلور و رسوب‌دهی فراصوتی بلورهای پروسکایت، روشی بسیار مؤثر و اقتصادی است که تولید انبوه نانوبلورهای پروسکایت را در مقیاس صنعتی امکان‌پذیر می‌کند.
سنتز فراصوتی نانوبلورهای پروسکایت
پروسکایت‌های هالید سرب آلی–معدنی خواص اپتوالکترونیکی استثنایی، مانند جذب بالای نور، طول عمر بسیار طولانی حامل‌های بار، طول نفوذ حامل‌های بار و تحرک بالای حامل‌های بار دارند؛ این ویژگی‌ها ترکیبات پروسکایت را به ماده‌ای عملکردی و برتر برای کاربردهای پربازده در پنل‌های خورشیدی، LEDها، آشکارسازهای نوری، لیزرها و غیره تبدیل می‌کند.
فراصوت‌دهی یکی از روش‌های فیزیکی برای تسریع واکنش‌های آلی گوناگون است. تیمار فراصوتی بر فرایند تبلور اثر می‌گذارد و آن را کنترل می‌کند و در نتیجه، ویژگی‌های اندازه‌ای نانوذرات تک‌بلوری پروسکایت قابل‌کنترل می‌شوند.
تصاویر TEM از CH3NH3PbBr3 به‌صورت نقاط کوانتومی (QDs)، (a) با تیمار فراصوتی و (b) بدون آن.
UIP2000hdT همراه با راکتور سلول جریان قابل تحت فشار قرارگیری
مطالعات موردی سنتز فراصوتی پروسکایت
در پژوهش‌ها، انواع گوناگونی از رشد بلور پروسکایت به کمک فراصوت انجام شده است. به‌طور کلی، بلورهای پروسکایت با روش رشد در فاز مایع تهیه می‌شوند. برای رسوب‌دهی بلورهای پروسکایت، حلالیت نمونه‌های هدف در محلول پیش‌ماده به‌آرامی و به‌صورت کنترل‌شده کاهش می‌یابد. رسوب‌دهی فراصوتی نانوبلورهای پروسکایت عمدتاً بر پایهٔ کوئنچ با ضدحلال است.
تبلور فراصوتی نانوبلورهای پروسکایت
Jang et al. (2016) سنتز موفق نانوبلورهای پروسکایت هالید سرب به کمک فراصوت را گزارش می‌کنند. با استفاده از فراصوت، نانوبلورهای پروسکایت APbX3 با طیف گسترده‌ای از ترکیب‌ها رسوب داده شدند که در آن‌ها A = CH3NH3، Cs، یا HN=CHNH3 (فرم‌آمیدینیوم)، و X = Cl, Br, or I است. فراصوت‌دهی فرایند حل‌شدن پیش‌ماده‌ها (AX و PbX2) در تولوئن را تسریع می‌کند و سرعت انحلال، سرعت رشد نانوبلورها را تعیین می‌کند. سپس، گروه پژوهشی با پوشش‌دهی چرخشی یکنواخت نانوبلورهای هم‌اندازه روی زیرلایه‌های اکسید سیلیسیم با مساحت زیاد، آشکارسازهای نوری با حساسیت بالا ساختند.
توزیع اندازهٔ ذرات CH3NH3PbBr3، (a) با تیمار فراصوتی و (b) بدون آن.
Chen et al. 2017
تبلور نامتقارن فراصوتی پروسکایت
Peng et al. (2016) روش رشد جدیدی بر پایهٔ تبلور نامتقارن تحریک‌شده با کاویتاسیون (CTAC) توسعه دادند که با تأمین انرژی کافی برای غلبه بر سد جوانه‌زنی، جوانه‌زنی ناهمگن را تقویت می‌کند. به‌اختصار، هنگامی که محلول با نفوذ بخار ضدحلال به سطح پایینی از فوق‌اشباع رسید، پالس‌های فراصوتی بسیار کوتاهی (≈ 1sec) به آن اعمال کردند. پالس فراصوتی در سطوح بالای فوق‌اشباع اعمال می‌شود؛ جایی که کاویتاسیون موجب رخدادهای بیش‌ازحد جوانه‌زنی و در نتیجه رشد شمار فراوانی از بلورهای ریز می‌شود. به‌عنوان نتیجه‌ای امیدبخش، لایه‌های نازک تک‌بلوری MAPbBr3 طی چند ساعت تیمار فراصوت‌دهی چرخه‌ای روی سطح زیرلایه‌های مختلف رشد کردند.
سنتز فراصوتی نقاط کوانتومی پروسکایت
Chen et al. (2017) در پژوهش خود روشی کارآمد برای تهیهٔ نقاط کوانتومی پروسکایت (QDs) تحت تابش فراصوت ارائه می‌کنند. فراصوت‌دهی به‌عنوان روشی مکانیکی برای تسریع رسوب‌دهی نقاط کوانتومی پروسکایت به کار می‌رود. تیمار فراصوتی، فرایند تبلور نقاط کوانتومی پروسکایت را تشدید و کنترل می‌کند و در نتیجه، اندازهٔ نانوبلورها به‌طور دقیق تنظیم می‌شود. تحلیل ساختار، اندازهٔ ذرات و ریخت‌شناسی نقاط کوانتومی پروسکایت نشان داد که تبلور فراصوتی، ذرات کوچک‌تر و توزیع اندازهٔ ذرات یکنواخت‌تری ایجاد می‌کند. با استفاده از سنتز فراصوتی (= سونوشیمیایی)، تولید نقاط کوانتومی پروسکایت با ترکیب‌های شیمیایی متفاوت نیز امکان‌پذیر بود. این ترکیب‌های متفاوت در بلورهای پروسکایت امکان تنظیم قله‌های گسیل و لبه‌های جذب سطحی CH3NH3PbX3 (X = Cl, Br and I) را فراهم کردند که به گسترهٔ رنگی بسیار وسیعی انجامید.
پراکنش فراصوتی
فراصوت‌دهی سوسپانسیون‌ها و جوهرهای نانوذره‌ای، روشی قابل‌اعتماد برای پراکنش همگن آن‌ها پیش از اعمال نانوسوسپانسیون روی زیرلایه‌هایی مانند شبکه‌ها یا الکترودها است. (رجوع کنید به Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
پراکنش فراصوتی به‌آسانی غلظت‌های بالای مواد جامد، مانند خمیرها، را پردازش می‌کند و نانوذرات را به‌صورت ذرات منفرد پراکنده می‌سازد تا سوسپانسیونی یکنواخت تولید شود. به‌این‌ترتیب، در کاربرد بعدی هنگام پوشش‌دهی زیرلایه، هیچ تجمعی مانند کلوخه‌ها عملکرد پوشش را مختل نمی‌کند.
پراکنش فراصوتی سوسپانسیون‌های یکنواخت با اندازهٔ ذرات نانومتری تهیه می‌کند: منحنی سبز – پیش از فراصوت‌دهی / منحنی قرمز پس از فراصوت‌دهی
پردازشگرهای فراصوتی برای رسوب‌دهی پروسکایت
Hielscher Ultrasonics سامانه‌های فراصوتی پربازده‌ای برای سنتز سونوشیمیایی بلورهای پروسکایت با کیفیت بالا طراحی و تولید می‌کند. Hielscher Ultrasonics، به‌عنوان پیشرو بازار و با تجربهٔ طولانی در پردازش فراصوتی، از نخستین آزمون امکان‌سنجی تا بهینه‌سازی فرایند و نصب نهایی پردازشگرهای فراصوتی صنعتی برای تولید در مقیاس بزرگ، به مشتریان خود کمک می‌کند. Hielscher با ارائهٔ مجموعه‌ای کامل، از سونیکاتورهای آزمایشگاهی و رومیزی تا پردازشگرهای فراصوتی صنعتی، می‌تواند دستگاه ایدئال را برای فرایند نانوبلور شما پیشنهاد کند.
تمام سونیکاتورهای Hielscher به‌دقت قابل‌کنترل هستند و می‌توان آن‌ها را از دامنه‌های بسیار کم تا بسیار زیاد تنظیم کرد. دامنه یکی از عوامل اصلی مؤثر بر اثرگذاری و تخریب‌کنندگی فرایندهای فراصوت‌دهی است. پردازشگرهای فراصوتی Hielscher Ultrasonics طیف بسیار گسترده‌ای از دامنه‌ها را فراهم می‌کنند که کاربردهای بسیار ملایم و آرام تا بسیار شدید و تخریبی را پوشش می‌دهد. انتخاب تنظیم مناسب دامنه، بوستر و سونوتْرود امکان تعیین اثر فراصوتی موردنیاز برای فرایند خاص شما را فراهم می‌کند. قطعهٔ داخلی ویژهٔ راکتور سلول جریان Hielscher، با نام MPC48 – MultiPhaseCavitator (تصویر سمت چپ را ببینید) – امکان تزریق فاز دوم را به‌صورت جریانی باریک از طریق 48 کانولا به نقطهٔ داغ کاویتاسیونی فراهم می‌کند؛ جایی که امواج فراصوت پربازده، دو فاز را به‌صورت مخلوطی همگن پراکنده می‌کنند. MultiPhaseCavitator برای ایجاد نقاط بذرگذاری بلور و کنترل واکنش رسوب‌دهی نانوبلورهای پروسکایت ایدئال است.
پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher می‌توانند دامنه‌های فوق‌العاده بالایی ایجاد کنند. دامنه‌های تا 200µm را می‌توان به‌آسانی و به‌طور پیوسته در کارکرد 24/7 به کار گرفت. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 را تحت بار کاری سنگین و در محیط‌های دشوار فراهم می‌کند.
مشتریان ما از استحکام و قابلیت اطمینان برجستهٔ سامانه‌های Hielscher Ultrasonic رضایت دارند. نصب این سامانه‌ها در کاربردهای سنگین، محیط‌های دشوار و شرایط کارکرد 24/7، پردازشی کارآمد و اقتصادی را تضمین می‌کند. تشدید فرایند با فراصوت، زمان پردازش را کاهش می‌دهد و نتایج بهتری، یعنی کیفیت بالاتر، بازده بیشتر و محصولات نوآورانه، به دست می‌دهد.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌کند:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫5 تا 1٫5mL | قابل اعمال نیست | VialTweeter |
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
هموژنایزرهای فراصوتی پرتوان از مقیاس آزمایشگاهی تا پایلوت و مقیاس صنعتی.
منابع و مراجع
- 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.
دانستنی‌های مفید
پروسکایت
پروسکایت اصطلاحی است که هم به کانی پروسکایت (با نام‌های اکسید تیتانیوم کلسیم یا تیتانات کلسیم و فرمول شیمیایی CaTiO3) و هم به ساختار خاصی از مواد اطلاق می‌شود. همان‌طور که از نام آن برمی‌آید، کانی پروسکایت دارای ساختار پروسکایتی است.
ترکیبات پروسکایت می‌توانند ساختار مکعبی، تتراگونال یا ارتورومبیک داشته باشند و فرمول شیمیایی آن‌ها ABX3 است. A و B کاتیون هستند، درحالی‌که X نشان‌دهندهٔ آنیونی است که به هر دو پیوند می‌یابد. در ترکیبات پروسکایت، کاتیون A به‌طور قابل‌توجهی بزرگ‌تر از کاتیون B است. لوپاریت و بریجمانیت از دیگر کانی‌های دارای ساختار پروسکایتی هستند.
پروسکایت‌ها ساختار بلوری منحصربه‌فردی دارند و در این ساختار می‌توان عناصر شیمیایی گوناگون را با یکدیگر ترکیب کرد. به‌دلیل این ساختار بلوری ویژه، مولکول‌های پروسکایت می‌توانند خواص ارزشمند گوناگونی مانند ابررسانایی، مقاومت مغناطیسی بسیار بالا و/یا فروالکتریسیته از خود نشان دهند که این ترکیبات را برای کاربردهای صنعتی بسیار جذاب می‌کند. افزون بر این، شمار زیادی از عناصر مختلف را می‌توان برای تشکیل ساختارهای پروسکایتی با هم ترکیب کرد؛ این امر ترکیب، اصلاح و تقویت ویژگی‌های معینی از ماده را امکان‌پذیر می‌کند. پژوهشگران، دانشمندان و توسعه‌دهندگان فرایند از این امکانات برای طراحی و بهینه‌سازی هدفمند ویژگی‌های فیزیکی، نوری و الکتریکی پروسکایت استفاده می‌کنند.
خواص اپتوالکترونیکی پروسکایت‌های هیبریدی، آن‌ها را به گزینه‌هایی ایدئال برای کاربرد در سلول‌های خورشیدی تبدیل می‌کند. سلول‌های خورشیدی پروسکایتی فناوری امیدبخشی هستند که ممکن است به تولید مقادیر زیادی انرژی پاک و سازگار با محیط‌زیست کمک کنند.
پارامترهای کلیدی اپتوالکترونیکی پروسکایت تک‌بلوری گزارش‌شده در منابع علمی:
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 تحرک حفره (SCLC) 105 تحرک حفره (Hall) 24 ± 6٫8 الکترون SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs طیف‌سنجی امپدانس (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3.6 × 1010 برای حفره 34٫5 × 1010 برای الکترون MAPbI31٫53 eV 784 nm34 Hall
8٫8 × 1011 p
1٫8 × 109 برای حفره 4٫8 × 1010 برای الکترون MAPbBr31٫53 eV 784 nm34 Hall
8٫8 × 1011 p
1٫8 × 109 برای حفره 4٫8 × 1010 برای الکترون MAPbBr32٫24 eV 537 nm4.36 Hall
3٫87 × 1012 p
2٫6 × 1010 برای حفره 1٫1 × 1011 برای الکترون MAPbCl32٫24 eV 537 nm4.36 Hall
3٫87 × 1012 p
2٫6 × 1010 برای حفره 1٫1 × 1011 برای الکترون MAPbCl32٫97 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 تحرک حفره SCLC1.8 × 10-8
2٫8 × 109
1٫34 × 1010
| مواد | گاف نواری یا آستانهٔ جذب | تحرک [cm2 V-1 s-1] | رسانایی الکتریکی [Ω-1 cm-1] | طول عمر حامل بار و روش | غلظت و نوع حامل بار [cm-3] (n یا p) | طول نفوذ | چگالی تله‌ها [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2٫21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (Hall) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 تا 5 × 1010 p | 3–17 µm | 5٫8 × 109 |