Perovszkit szintézis ultrahangos kezeléssel
Az ultrahanggal indukált és intenzívebb reakciók felületes, pontosan szabályozható és sokoldalú szintézis módszert kínálnak a fényaktivált anyagok előállításához, amelyek gyakran nem állíthatók elő hagyományos technikákkal.
A perovszkit kristályok ultrahangos kristályosítása és kicsapása rendkívül hatékony és gazdaságos technika, amely lehetővé teszi perovszkit nanokristályok ipari méretben történő előállítását tömegtermelésre.
Perovszkit nanokristályok ultrahangos szintézise
A szerves-szervetlen ólomhalogenid perovszkitok kivételes optoelektronikai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint például a nagy fényelnyelés, a nagyon hosszú hordozó élettartam, a hordozó diffúziós hossza és a nagy hordozómobilitás, ami a perovszkit vegyületeket kiváló funkcionális anyaggá teszi a napelemek, LED-ek, fotodetektorok, lézerek stb. Nagy teljesítményű alkalmazásaihoz.
Az ultrahangos kezelés az egyik fizikai módszer a különböző szerves reakciók felgyorsítására. A kristályosodási folyamatot az ultrahangos kezelés befolyásolja és szabályozza, ami az egykristályos perovszkit nanorészecskék szabályozható mérettulajdonságait eredményezi.
TEM-képek CH-hoz3Nh3PbBr3 QD-k (a) ultrahangos kezeléssel és (b) ultrahangos kezelés nélkül.
UIP2000hdT nyomás alatt álló áramlási cellás reaktorral
Esettanulmányok ultrahangos perovszkit szintézis
A kutatás sokféle ultrahanggal segített perovszkit kristálynövekedést végzett. Általában a perovszkit kristályokat folyékony növekedési módszerrel állítják elő. A perovszkit kristályok kicsapatása érdekében a célminták oldhatóságát lassan és szabályozottan csökkentjük egy prekurzor oldatban. A perovszkit nanokristályok ultrahangos kicsapása főként antiszolvens kioltáson alapul.
Perovszkit nanokristályok ultrahangos kristályosítása
Jang et al. (2016) beszámol az ólom-halogenid perovszkit nanokristályok sikeres ultrahanggal segített szintéziséről. Ultrahang használatával APbX3 perovszkit nanokristályok széles összetételű készítményekkel, ahol A = CH3Nh3, Cs vagy HN = CHNH3 (formamidinium) és X = Cl, Br vagy I kicsapódott. Az ultrahangos kezelés felgyorsítja a prekurzorok (AX és PbX feloldási folyamatát2) toluolban, és az oldódási sebesség határozza meg a nanokristályok növekedési sebességét. Ezt követően a kutatócsoport nagy érzékenységű fotodetektorokat állított elő úgy, hogy homogén spinnel bevonta az egységes méretű nanokristályokat nagy felületű szilícium-oxid szubsztrátokon.
A CH3NH3PbBr3 részecskeméret-eloszlása (a) ultrahangos kezeléssel és (b) nélkül.
Perovszkit ultrahangos aszimmetrikus kristályosítása
Peng et al. (2016) új növekedési módszert fejlesztett ki a kavitáció által kiváltott aszimmetrikus kristályosítás (CTAC) alapján, amely elősegíti a heterogén nukleációt azáltal, hogy elegendő energiát biztosít a nukleációs gát leküzdéséhez. Röviden, nagyon rövid ultrahangos impulzusokat (≈ 1 másodperc) vezettek be az oldatba, amikor az antiszolvens gőzdiffúzióval alacsony túltelítettségi szintet ért el. Az ultrahangos impulzust magas túltelítettségi szinteken vezetik be, ahol a kavitáció túlzott nukleációs eseményeket vált ki, és ezáltal rengeteg apró kristály növekedését. Ígéretes, hogy a MAPbBr3 A monokristályos filmek a különböző szubsztrátok felületén nőttek a ciklikus ultrahangos kezelés után néhány órán belül.
Perovszkit kvantumpontok ultrahangos szintézise
Chen et al. (2017) kutatási munkájukban hatékony módszert mutatnak be a perovszkit kvantumpontok (QD-k) ultrahangos besugárzás alatt történő előállítására. Az ultrahangos kezelést mechanikus módszerként használják a perovszkit kvantumpontok kicsapódásának felgyorsítása érdekében. A perovszkit kvantumpontok kristályosodási folyamatát az ultrahangos kezelés fokozza és szabályozza, ami a nanokristályok pontosan testreszabott méretét eredményezi. A perovszkit kvantumpontok szerkezetének, részecskeméretének és morfológiájának elemzése azt mutatta, hogy az ultrahangos kristályosodás kisebb részecskeméreteket és egységesebb részecskeméret-eloszlást eredményez. Az ultrahangos (= szonokémiai) szintézis segítségével különböző kémiai összetételű perovszkit kvantumpontokat is elő lehetett állítani. A perovszkit kristályok különböző összetételei lehetővé tették, hogy a CH emissziós csúcsai és adszorpciós élei ne legyenek képesek3Nh3Pbx3 (X = Cl, Br és I), ami rendkívül széles színskálát eredményezett.
Ultrahangos diszperzió
A nano részecske szuszpenziók és tinták ultrahangos kezelése megbízható technika, hogy homogén diszpergálja őket, mielőtt a nano-szuszpenziót szubsztrátokra, például rácsokra vagy elektródákra alkalmazná. (vö. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Az ultrahangos diszperzió könnyen kezeli a nagy szilárd koncentrációkat (pl. paszták), és elosztja a nanorészecskéket egyetlen diszpergált részecskékre, hogy egyenletes szuszpenzió keletkezzen. Ez biztosítja, hogy a következő alkalmazás során, amikor az aljzatot bevonják, semmilyen csomósodás, például agglomerátumok nem rontják a bevonat teljesítményét.
Az ultrahangos diszperzió egységes nanoméretű szuszpenziókat készít: zöld görbe – Szonikálás előtt? piros görbe szonikálás után
Ultrahangos processzorok perovszkit csapadékhoz
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos rendszereket tervez és gyárt kiváló minőségű perovszkit kristályok szonokémiai szintéziséhez. Piacvezetőként és hosszú távú tapasztalattal rendelkezik az ultrahangos feldolgozásban, Hielscher Ultrasonics segíti ügyfeleit az első megvalósíthatósági teszttől a folyamat optimalizálásáig az ipari ultrahangos processzorok végső telepítéséig a nagyüzemi termeléshez. A laboratóriumi és asztali ultrahangos készülékektől az ipari ultrahangos processzorokig terjedő teljes portfóliót kínálva a Hielscher ajánlhatja az ideális eszközt a nanokristályos folyamathoz.
Minden Hielscher ultrasonicators pontosan szabályozható, és hangolható nagyon alacsony és nagyon magas amplitúdójú. Az amplitúdó az egyik fő tényező, amely befolyásolja az ultrahangos folyamatok hatását és romboló képességét. Hielscher Ultrasonics’ ultrasonic processors deliver a very wide spectrum of amplitudes covering the range of very mild and soft to very intense and destructive applications. Choosing the right amplitude setting, booster and sonotrode allows to set the required ultrasonic impact for your specific process. Hielscher’s special flow cell reactor insert MPC48 – MultiPhaseCavitator (lásd a bal oldali képet) – Lehetővé teszi a második fázis befecskendezését 48 kanülön keresztül vékony törzsként a kavitációs forró pontba, ahol a nagy teljesítményű ultrahanghullámok diszpergálják a két fázist homogén keverékké. A MultiPhaseCavitator ideális kristályvetési pontok indítására és perovszkit nanokristályok kicsapódási reakciójának szabályozására.
Hielscher industrial ultrasonic processors can deliver extraordinarily high amplitudes. Amplitudes of up to 200µm can be easily continuously run in 24/7 operation. For even higher amplitudes, customized ultrasonic sonotrodes are available. The robustness of Hielscher’s ultrasonic equipment allows for 24/7 operation at heavy duty and in demanding environments.
Our customers are satisfied by the outstanding robustness and reliability of Hielscher Ultrasonic’s systems. The installation in fields of heavy-duty application, demanding environments and 24/7 operation ensure efficient and economical processing. Ultrasonic process intensification reduces processing time and achieves better results, i.e. higher quality, higher yields, innovative products.
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 0.5-től 1,5 ml-ig | n.a. | VialMagassugárzó |
| 1–500 ml | 10–200 ml/perc | UP100H |
| 10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000hdt |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Kapcsolat!? Kérdezzen tőlünk!
Nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok labor hoz pilóta és ipari méretek.
Irodalom/Hivatkozások
- 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.
Tények, amelyeket érdemes tudni
perovszkit
A perovszkit egy olyan kifejezés, amely leírja az ásványi perovszkitot (más néven kalcium-titán-oxid vagy kalcium-titanát, kémiai képlete CaTiO3), valamint egy adott anyagszerkezet. Ugyanezen név szerint az ásványi perovszkit a perovszkit szerkezetével rendelkezik.
A perovszkit vegyületek köbös, tetragonális vagy orthorhomb szerkezetben fordulhatnak elő, és kémiai képletük ABX3. A és B kationok, míg X egy anion, amely mindkettőhöz kötődik. A perovszkit vegyületekben az A kation lényegesen nagyobb, mint a B kation. Egyéb perovszkit szerkezetű ásványok a loparit és a bridgmanit.
A perovszkitok egyedülálló kristályszerkezettel rendelkeznek, és ebben a szerkezetben különböző kémiai elemek kombinálhatók. A speciális kristályszerkezetnek köszönhetően a perovszkit molekulák különböző értékes tulajdonságokkal rendelkezhetnek, mint például a szupravezetés, a nagyon magas magnetorezisztencia és? vagy a ferroelektromosság, amelyek ezeket a vegyületeket nagyon érdekessé teszik az ipari alkalmazások számára. Ezenkívül számos különböző elem kombinálható perovszkit szerkezetek kialakításához, ami lehetővé teszi bizonyos anyagjellemzők kombinálását, módosítását és fokozását. A kutatók, tudósok és folyamatfejlesztők ezeket a lehetőségeket használják a perovszkit fizikai, optikai és elektromos jellemzőinek szelektív tervezésére és optimalizálására.
Optoelektronikai tulajdonságaik miatt a hibrid perovszkitok ideálisak napelemes alkalmazásokhoz, és a perovszkit napelemek ígéretes technológiát jelentenek, amely segíthet nagy mennyiségű tiszta, környezetbarát energia előállításában.
Az egykristályos perovszkit szakirodalomban közölt kritikus optoelektronikai paraméterei:
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 Lyukmobilitás (SCLC) 105 Lyukmobilitás (Hall) 24 ± 6,8 elektron SCLC
82 ± 5 μs TPV 95 ± 8 μs impedancia spektroszkópia (IS)9 × 109 P175 ± 25 μm3,6 × 1010 a 34,5-ös × 10-es lyukhoz10 elektronMAPbI esetén31,53 eV 784 nm34 Csarnok
8.8 × 1011 p
1,8 109 × a 4,8 × 10 furathoz10 elektronMAPbBr esetén31,53 eV 784 nm34 Csarnok
8.8 × 1011 p
1,8 109 × a 4,8 × 10 furathoz10 elektronMAPbBr esetén32,24 eV 537 nm4,36 Csarnok
3.87 × 1012 p
2.6 10. ×10 az 1.1 × 10 furathoz11 elektronMAPbCl esetében32,24 eV 537 nm4,36 Csarnok
3.87 × 1012 p
2.6 10. ×10 az 1.1 × 10 furathoz11 elektronMAPbCl esetében32,97 eV 402 nm179 Csarnok
5.1 10. ×9 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 Furatmobilitás SCLC1.8 × 10-8
2.8 10. ×9
1.34 × 1010
| Anyagok | Sávrés vagy abszorpció kezdete | Mobilitás [cm2 V-1 s-1] | Vezetőképesség [Ω-1 centiméter-1] | A hordozó élettartama és módszere | Hordozó koncentrációja és típusa [cm-3] (n vagy p) | Diffúziós hossz | Túltöltés sűrűsége [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (csarnok) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 5-ig × 1010 p | 3–17 μm | 5.8 109. × |