Perovskite sintēze ar ultrasonication
Ultrasoniski inducētas un pastiprinātas reakcijas piedāvā facile, precīzi kontrolējamu un daudzpusīgu sintēzes metodi gaismas aktivētu materiālu ražošanai, ko bieži vien nevar sagatavot ar parastajām metodēm.
Perovskite kristālu ultraskaņas kristalizācija un nokrišņi ir ļoti efektīva un ekonomiska tehnika, kas ļauj ražot perovskite nanokristālus rūpnieciskā mērogā masveida ražošanai.
Perovskite nanokristālu ultraskaņas sintēze
Organiskajiem–neorganiskajiem svina halogenīdu perovskītiem piemīt izcilas optoelektroniskās īpašības, piemēram, augsta gaismas absorbcija, ļoti ilgs nesēja kalpošanas laiks, nesēja difūzijas garums un augsta nesēja mobilitāte, kas padara perovskite savienojumus par izcilu funkcionālu materiālu augstas veiktspējas lietojumiem saules paneļos, gaismas diodēs, fotodetektoros, lāzeros utt.
Ultrasonication ir viena no fizikālajām metodēm dažādu organisko reakciju paātrināšanai. Kristalizācijas procesu ietekmē un kontrolē ultraskaņas apstrāde, kā rezultātā rodas viena kristāliskā perovskite nanodaļiņu kontrolējamās izmēra īpašības.
TEM attēli CH3Nh3PbBr3 QD (a) ar un (b) bez ultraskaņas apstrādes.
UIP2000hdT ar spiedošu plūsmas šūnu reaktoru
Ultraskaņas perovskite sintēzes gadījumu izpēte
Pētījumi ir veikuši daudzveidīgus ultrasoniski atbalstītus perovskite kristālu augšanas veidus. Kopumā perovskite kristāli tiek sagatavoti ar šķidruma augšanas metodi. Lai izgulsnētu perovskite kristālus, mērķa paraugu šķīdību lēnām un ar kontroli samazina prekursora šķīdumā. Perovskite nano kristālu ultraskaņas nokrišņi galvenokārt balstās uz antisolventa dzesēšanu.
Perovskite nanokristālu ultraskaņas kristalizācija
(2016) ziņo par veiksmīgu ultrasoniski atbalstītu svina halogenīdu perovskite nanokristālu sintēzi. Izmantojot ultraskaņu, APbX3 perovskite nanokristāli ar plašu kompozīciju klāstu, kur A = CH3Nh3, Cs vai HN=CHNH3 (formamidīnijs) un X = Cl, Br vai I tika nogulsnēti. Ultrasonication paātrina prekursoru izšķīdināšanas procesu (AX un PbX2) toluolā, un šķīšanas ātrums nosaka nanokristālu augšanas ātrumu. Pēc tam pētnieku komanda izgatavoja augstas jutības fotodetektorus, viendabīgi spinējot vienāda izmēra nanokristālus uz liela laukuma silīcija oksīda substrātiem.
CH3NH3PbBr3 (a) daļiņu izmēra sadalījums ar un (b) bez ultraskaņas apstrādes.
Chen et al. 2017
Perovskite ultraskaņas asimetriskā kristalizācija
(2016) izstrādāja jaunu augšanas metodi, kuras pamatā ir kavitācijas izraisīta asimetriska kristalizācija (CTAC), kas veicina neviendabīgu nukleāciju, nodrošinot pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu nukleācijas barjeru. Īsumā, viņi ieviesa šķīdumam ļoti īsu ultraskaņas impulsu (≈ 1sec), kad tas sasniedza zemu pārsātinājuma līmeni ar antisolventa tvaiku difūziju. Ultraskaņas impulss tiek ieviests augstā pārsātinājuma līmenī, kur kavitācija izraisa pārmērīgus nukleācijas notikumus un līdz ar to arī sīku kristālu pārpilnību. Daudzsološi, MAPbBr3 monokristāliskās plēves pieauga uz dažādu substrātu virsmas vairāku stundu laikā pēc cikliskās ultrasonikācijas apstrādes.
Perovskite kvantu punktu ultraskaņas sintēze
(2017) savā pētniecības darbā piedāvā efektīvu metodi perovskite kvantu punktu (QD) sagatavošanai ultraskaņas apstarošanas laikā. Ultrasonication tiek izmantota kā mehāniska metode, lai paātrinātu perovskite kvantu punktu nokrišanu. Perovskite kvantu punktu kristalizācijas process tiek pastiprināts un kontrolēts ar ultraskaņas apstrādi, kā rezultātā tiek iegūts precīzi pielāgots nanokristālu izmērs. Perovskite kvantu punktu struktūras, daļiņu izmēra un morfoloģijas analīze parādīja, ka ultraskaņas kristalizācija dod mazākus daļiņu izmērus un vienmērīgāku daļiņu izmēru sadalījumu. Izmantojot ultraskaņas (= sonochemical) sintēzi, bija iespējams ražot arī perovskite kvantu punktus ar dažādiem ķīmiskiem sastāviem. Šīs atšķirīgās kompozīcijas perovskite kristālos ļāva nespēt CH emisijas maksimumiem un adsorbcijas malām3Nh3Pbx3 (X = Cl, Br un I), kas noveda pie ārkārtīgi plašas krāsu gammas.
Ultraskaņas dispersija
Nano daļiņu suspensiju un tintes ultrasonication ir uzticama metode, lai tos vienmērīgi izkliedētu pirms nano-suspensijas uzklāšanas uz substrātiem, piemēram, režģiem vai elektrodiem. (sk. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ultraskaņas dispersija viegli apstrādā augstas cietās koncentrācijas (piemēram, pastas) un izplata nanodaļiņas vienā izkliedētā daļiņā, lai iegūtu vienmērīgu suspensiju. Tas nodrošina, ka turpmākajā pielietojumā, kad substrāts ir pārklāts, nekāda salipšana, piemēram, aglomerāts, nepasliktina pārklājuma veiktspēju.
Ultraskaņas dispersija sagatavo vienotas nano izmēra suspensijas: zaļa līkne – pirms ultraskaņas apstrādes / sarkanas līknes pēc ultraskaņas apstrādes
Ultraskaņas procesori perovskite nokrišņiem
Hielscher Ultrasonics projektē un ražo augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmas augstas kvalitātes perovskite kristālu sonoķīmiskajai sintēzei. Kā tirgus līderis un ar ilgstošu pieredzi ultraskaņas apstrādē, Hielscher Ultrasonics palīdz saviem klientiem no pirmās priekšizpētes līdz procesa optimizācijai līdz rūpniecisko ultraskaņas procesoru galīgai uzstādīšanai liela mēroga ražošanai. Piedāvājot pilnu portfeli no laboratorijas un stenda ultrasonikatoriem līdz rūpnieciskiem ultraskaņas procesoriem, Hielscher var ieteikt jums ideālu ierīci jūsu nanokristālu procesam.
Visi Hielscher ultrasonikatori ir precīzi kontrolējami un tos var noregulēt no ļoti zemām līdz ļoti augstām amplitūdām. Amplitūda ir viens no galvenajiem faktoriem, kas ietekmē ultraskaņas procesu ietekmi un destruktivitāti. Hielscher Ultrasonics’ Ultraskaņas procesori nodrošina ļoti plašu amplitūdu spektru, kas aptver ļoti vieglu un mīkstu līdz ļoti intensīvu un destruktīvu lietojumu diapazonu. Izvēloties pareizo amplitūdas iestatījumu, pastiprinātāju un sonotrodu, var iestatīt nepieciešamo ultraskaņas efektu jūsu konkrētajam procesam. Hielscher īpašais plūsmas šūnu reaktora ieliktnis MPC48 – MultiPhaseCavitator (skatīt attēlu pa kreisi) – Ļauj injicēt otro fāzi caur 48 kanulām kā plānu celmu kavitācijas karstajā punktā, kur augstas veiktspējas ultraskaņas viļņi izkliedē abas fāzes viendabīgā maisījumā. MultiPhaseCavitator ir ideāli piemērots, lai uzsāktu kristālu sēšanas punktus un kontrolētu perovskite nanokristālu nokrišņu reakciju.
Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori var nodrošināt ārkārtīgi augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti darbināt 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes. Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība ļauj 24/7 darboties lieljaudas režīmā un prasīgā vidē.
Mūsu klienti ir apmierināti ar Hielscher Ultrasonic sistēmu izcilo izturību un uzticamību. Uzstādīšana lieljaudas pielietojuma, prasīgas vides un 24/7 darbības jomās nodrošina efektīvu un ekonomisku apstrādi. Ultraskaņas procesa intensifikācija samazina apstrādes laiku un sasniedz labākus rezultātus, t.i. augstāka kvalitāte, augstāka raža, inovatīvi produkti.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 0.5 līdz 1,5 ml | n.p. | VialTweeter |
| 1 līdz 500 ml | 10 līdz 200 ml/min | UP100H |
| 10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Augstas jaudas ultraskaņas homogenizatori no Lab līdz pilots un rūpnieciskais mērogs.
Literatūra/Atsauces
- 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.
Fakti, kurus ir vērts zināt
Perovskite
Perovskite ir termins, kas apraksta minerālu Perovskite (pazīstams arī kā kalcija titāna oksīds vai kalcija titanāts, ķīmiskā formula CaTiO3), kā arī konkrētu materiālu struktūru. Saskaņā ar to pašu nosaukumu minerālam Perovskite ir perovskite struktūra.
Perovskite savienojumi var rasties kubiskā, tetragonālā vai ortorombiskā struktūrā, un tiem ir ķīmiskā formula ABX3. A un B ir katjoni, bet X apzīmē anjonu, kas saistās ar abiem. Perovskite savienojumos A katjons ir ievērojami lielāks nekā B katjons. Citi minerāli ar perovskite struktūru ir Loparite un Bridgmanite.
Perovskītiem ir unikāla kristāla struktūra, un šajā struktūrā var apvienot dažādus ķīmiskos elementus. Īpašās kristāla struktūras dēļ perovskite molekulām var būt dažādas vērtīgas īpašības, piemēram, supravadītspēja, ļoti augsta magnetoresistance un / vai feroelektrība, kas padara šos savienojumus ļoti interesantus rūpnieciskiem lietojumiem . Turklāt lielu skaitu dažādu elementu var apvienot, lai izveidotu perovskite struktūras, kas ļauj apvienot, modificēt un pastiprināt noteiktas materiāla īpašības. Pētnieki, zinātnieki un procesu izstrādātāji izmanto šīs iespējas, lai selektīvi izstrādātu un optimizētu perovskite fizikālās, optiskās un elektriskās īpašības.
To optoelektroniskās īpašības padara hibrīda perovskītus par ideāliem kandidātiem saules bateriju lietojumiem, un perovskite saules baterijas ir daudzsološa tehnoloģija, kas varētu palīdzēt ražot lielu daudzumu tīras, videi draudzīgas enerģijas.
Literatūrā aprakstītie vienkristāliskā perovskita kritiskie optoelektroniskie parametri:
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 Caurumu mobilitāte (SCLC) 105 Caurumu mobilitāte (zāle) 24 ± 6.8 elektronu SCLC
82 ± 5 μs TPV 95 ± 8 μs pretestības spektroskopija (IS)9 × 109 P175 ± 25 μm3,6 × 1010 caurumam 34,5 × 1010 elektronamMAPbI31,53 eV 784 nm34 zāle
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 par caurumu 4,8 × 1010 elektronamMAPbBr31,53 eV 784 nm34 zāle
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 par caurumu 4,8 × 1010 elektronamMAPbBr32.24 eV 537 nm4.36 zāle
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 1.1. × 10. caurumam11 attiecībā uz electronMAPbCl32.24 eV 537 nm4.36 zāle
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 1.1. × 10. caurumam11 attiecībā uz electronMAPbCl32.97 eV 402 nm179 zāle
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 Caurumu mobilitāte SCLC1.8 × 10-8
2.8 × 109
1.34 × 1010
| Materiāli | Joslas sprauga vai absorbcijas sākums | Mobilitāte [cm]2 V-1 s-1] | Vadītspēja [Ω-1 Cm-1] | Pārvadātāja kalpošanas laiks un metode | Nesējkoncentrācija un tips [cm]-3] (n vai p) | Difūzijas garums | Slazdu blīvums [cm]-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (zāle) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 līdz 5 × 1010 p | 3–17 μm | 5,8 × 109 |