Perovskīta sintēze ar ultraskaņu
Ar ultraskaņu ierosinātas un intensificētas reakcijas piedāvā vienkāršu, precīzi kontrolējamu un daudzpusīgu sintēzes metodi ar gaismu aktivējamu materiālu ražošanai, kurus bieži nevar iegūt ar tradicionālām metodēm.
Perovskīta kristālu kristalizācija un izgulsnēšana ar ultraskaņu ir ļoti efektīva un ekonomiska metode, kas ļauj iegūt perovskīta nanokristālus rūpnieciskā mērogā masveida ražošanai.
Perovskīta nanokristālu sintēze ar ultraskaņu
Organiskajiem–neorganiskajiem svina halogenīdu perovskītiem piemīt izcilas optoelektroniskās īpašības, piemēram, augsta gaismas absorbcija, ļoti ilgs lādiņnesēju dzīves laiks, lādiņnesēju difūzijas garums un augsta lādiņnesēju kustīgums, kas padara perovskīta savienojumus par izcilu funkcionālo materiālu augstas veiktspējas lietojumiem saules paneļos, gaismas diodēs, fotodetektoros, lāzeros utt.
Apstrāde ar ultraskaņu ir viena no fizikālajām metodēm dažādu organisko reakciju paātrināšanai. Apstrāde ar ultraskaņu ietekmē un kontrolē kristalizācijas procesu, ļaujot kontrolēt monokristālisko perovskīta nanodaļiņu izmēra raksturlielumus.
TEM attēli CH3NH3PbBr3 kvantu punktiem (a) ar apstrādi ar ultraskaņu un (b) bez tās.
UIP2000hdT ar plūsmas šūnas reaktoru, kurā var paaugstināt spiedienu
Perovskīta sintēzes ar ultraskaņu pētījumu piemēri
Pētījumos ir izmantoti dažādi perovskīta kristālu audzēšanas veidi ar ultraskaņas palīdzību. Parasti perovskīta kristālus iegūst ar audzēšanas metodi šķidrumā. Lai izgulsnētu perovskīta kristālus, prekursoru šķīdumā lēni un kontrolēti samazina mērķa paraugu šķīdību. Perovskīta nanokristālu izgulsnēšana ar ultraskaņu galvenokārt balstās uz strauju izgulsnēšanu ar antišķīdinātāju.
Perovskīta nanokristālu kristalizācija ar ultraskaņu
Jang et al. (2016) ziņo par veiksmīgu svina halogenīdu perovskīta nanokristālu sintēzi ar ultraskaņas palīdzību. Izmantojot ultraskaņu, tika izgulsnēti APbX3 perovskīta nanokristāli ar plašu sastāvu klāstu, kur A = CH3NH3, Cs vai HN=CHNH3 (formamidīnijs), bet X = Cl, Br vai I. Apstrāde ar ultraskaņu paātrina prekursoru (AX un PbX2) šķīšanu toluolā, un šķīšanas ātrums nosaka nanokristālu augšanas ātrumu. Pēc tam pētnieku grupa izgatavoja augstas jutības fotodetektorus, ar centrifugālās pārklāšanas metodi vienmērīgi uzklājot vienāda izmēra nanokristālus uz lielas platības silīcija oksīda pamatnēm.
CH3NH3PbBr3 daļiņu izmēru sadalījumi (a) ar apstrādi ar ultraskaņu un (b) bez tās.
Chen et al. 2017
Perovskīta asimetriskā kristalizācija ar ultraskaņu
Peng et al. (2016) izstrādāja jaunu audzēšanas metodi, kuras pamatā ir kavitācijas ierosināta asimetriskā kristalizācija (CTAC), kas veicina heterogēnu nukleāciju, nodrošinot pietiekami daudz enerģijas nukleācijas barjeras pārvarēšanai. Īsumā – viņi šķīdumu pakļāva ļoti īsiem ultraskaņas impulsiem (≈ 1sec), kad tas antišķīdinātāja tvaiku difūzijas rezultātā sasniedza zemu pārsātinājuma līmeni. Ultraskaņas impulsu ievada augstā pārsātinājuma līmenī, kur kavitācija izraisa pārmērīgi daudz nukleācijas notikumu un līdz ar to ļoti daudzu sīku kristālu augšanu. Daudzsološi ir tas, ka MAPbBr3 monokristāliskās kārtiņas izauga uz dažādu pamatņu virsmām vairāku stundu laikā, veicot ciklisku apstrādi ar ultraskaņu.
Perovskīta kvantu punktu sintēze ar ultraskaņu
Chen et al. (2017) savā pētījumā iepazīstina ar efektīvu metodi perovskīta kvantu punktu (QDs) iegūšanai ultraskaņas iedarbībā. Apstrādi ar ultraskaņu izmanto kā mehānisku metodi, lai paātrinātu perovskīta kvantu punktu izgulsnēšanos. Apstrāde ar ultraskaņu intensificē un kontrolē perovskīta kvantu punktu kristalizācijas procesu, ļaujot precīzi pielāgot nanokristālu izmēru. Perovskīta kvantu punktu struktūras, daļiņu izmēra un morfoloģijas analīze parādīja, ka kristalizācija ar ultraskaņu nodrošina mazākus daļiņu izmērus un vienmērīgāku daļiņu izmēru sadalījumu. Izmantojot ultraskaņas (= sonoķīmisko) sintēzi, bija iespējams iegūt arī perovskīta kvantu punktus ar atšķirīgu ķīmisko sastāvu. Šie atšķirīgie perovskīta kristālu sastāvi ļāva atspējot CH3NH3PbX3 (X = Cl, Br un I) emisijas maksimumus un adsorbcijas malas, tādējādi nodrošinot ārkārtīgi plašu krāsu gammu.
Disperģēšana ar ultraskaņu
Nanodaļiņu suspensiju un tinšu apstrāde ar ultraskaņu ir uzticama metode to viendabīgai disperģēšanai pirms nanosuspensijas uzklāšanas uz pamatnēm, piemēram, režģiem vai elektrodiem. (sk. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Disperģēšana ar ultraskaņu ļauj viegli apstrādāt materiālus ar augstu cietvielu koncentrāciju (piemēram, pastas) un izkliedē nanodaļiņas atsevišķās daļiņās, veidojot viendabīgu suspensiju. Tas nodrošina, ka turpmākajā uzklāšanas procesā, pārklājot pamatni, nekādi daļiņu sakopojumi, piemēram, aglomerāti, nepasliktina pārklājuma veiktspēju.
Disperģēšana ar ultraskaņu nodrošina viendabīgas nanodaļiņu suspensijas: zaļā līkne – pirms apstrādes ar ultraskaņu / sarkanā līkne pēc apstrādes ar ultraskaņu
Ultraskaņas procesori perovskīta izgulsnēšanai
Hielscher Ultrasonics projektē un ražo augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmas augstas kvalitātes perovskīta kristālu sonoķīmiskajai sintēzei. Būdams tirgus līderis ar ilggadēju pieredzi ultraskaņas apstrādē, Hielscher Ultrasonics palīdz saviem klientiem no pirmā īstenojamības testa un procesa optimizācijas līdz pat rūpniecisko ultraskaņas procesoru galīgajai uzstādīšanai liela mēroga ražošanai. Piedāvājot pilnu ierīču klāstu no laboratorijas un galda ultraskaņas ierīcēm līdz rūpnieciskiem ultraskaņas procesoriem, Hielscher var ieteikt ideālo ierīci jūsu nanokristālu iegūšanas procesam.
Visas Hielscher ultraskaņas iekārtas ir precīzi vadāmas, un to amplitūdu var regulēt no ļoti zemas līdz ļoti augstai. Amplitūda ir viens no galvenajiem faktoriem, kas ietekmē apstrādes ar ultraskaņu iedarbību un graujošo spēju. Hielscher Ultrasonics ultraskaņas procesori nodrošina ļoti plašu amplitūdu diapazonu lietojumiem no ļoti saudzīgas un maigas līdz ļoti intensīvai un graujošai apstrādei. Izvēloties pareizo amplitūdas iestatījumu, amplitūdas pastiprinātāju un sonotrodi, var iestatīt konkrētajam procesam nepieciešamo ultraskaņas iedarbību. Hielscher īpašais plūsmas šūnas reaktora ieliktnis MPC48 – MultiPhaseCavitator (skat. attēlu pa kreisi) – ļauj caur 48 kanilēm ievadīt otro fāzi smalkas strūklas veidā kavitācijas intensīvās iedarbības zonā, kur augstas veiktspējas ultraskaņas viļņi disperģē abas fāzes viendabīgā maisījumā. MultiPhaseCavitator ir ideāli piemērots kristalizācijas centru veidošanās ierosināšanai un perovskīta nanokristālu izgulsnēšanās reakcijas vadīšanai.
Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori spēj nodrošināt ārkārtīgi augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz pat 200µm var viegli uzturēt nepārtrauktā 24/7 darbības režīmā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes. Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība ļauj tās darbināt 24/7 režīmā pie lielas slodzes un prasīgos vides apstākļos.
Mūsu klienti ir apmierināti ar Hielscher Ultrasonic sistēmu izcilo izturību un uzticamību. Uzstādīšana lietojumiem ar lielu slodzi, prasīgos vides apstākļos un darbībai 24/7 režīmā nodrošina efektīvu un ekonomisku apstrādi. Procesa intensifikācija ar ultraskaņu samazina apstrādes laiku un nodrošina labākus rezultātus, proti, augstāku kvalitāti, lielāku iznākumu un inovatīvus produktus.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās iekārtas |
|---|---|---|
| 0,5 līdz 1,5mL | nav piemērojams | VialTweeter |
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| nav piemērojams | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| nav piemērojams | lielāks | iekārtu grupa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Lieljaudas ultraskaņas homogenizatori no laboratorijas līdz pilotmērogam un rūpnieciskajam mērogam.
Literatūra un 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.
Noderīga informācija
Perovskīts
Perovskīts ir termins, kas apzīmē minerālu perovskītu (pazīstams arī kā kalcija titāna oksīds vai kalcija titanāts, ķīmiskā formula CaTiO3), kā arī noteiktu materiāla struktūru. Atbilstoši nosaukumam minerālam perovskītam piemīt perovskīta struktūra.
Perovskīta savienojumiem var būt kubiska, tetragonāla vai ortorombiska struktūra, un to ķīmiskā formula ir ABX3. A un B ir katjoni, savukārt X apzīmē anjonu, kas veido saites ar abiem. Perovskīta savienojumos A katjons ir ievērojami lielāks par B katjonu. Citi minerāli ar perovskīta struktūru ir loparīts un bridžmanīts.
Perovskītiem ir unikāla kristālstruktūra, un šajā struktūrā var apvienot dažādus ķīmiskos elementus. Īpašās kristālstruktūras dēļ perovskīta molekulām var piemist dažādas vērtīgas īpašības, piemēram, supravadītspēja, ļoti augsta magnetopretestība un/vai feroelektriskums, kas padara šos savienojumus ļoti interesantus rūpnieciskiem lietojumiem. Turklāt perovskīta struktūru veidošanai var apvienot daudz dažādu elementu, kas ļauj kombinēt, mainīt un pastiprināt noteiktas materiāla īpašības. Pētnieki, zinātnieki un procesu izstrādātāji izmanto šīs iespējas, lai mērķtiecīgi veidotu un optimizētu perovskīta fizikālās, optiskās un elektriskās īpašības.
Hibrīdo perovskītu optoelektroniskās īpašības padara tos par ideāliem kandidātiem izmantošanai saules elementos, un perovskīta saules elementi ir daudzsološa tehnoloģija, kas varētu palīdzēt ražot lielu daudzumu tīras, videi draudzīgas enerģijas.
Literatūrā norādītie monokristāliska perovskīta būtiskākie 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 kustīgums (SCLC) 105 Caurumu kustīgums (Hall) 24 ± 6,8 elektronu SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs impedances spektroskopija (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3.6 × 1010 caurumiem 34,5 × 1010 elektroniemMAPbI31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 caurumiem 4,8 × 1010 elektroniemMAPbBr31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 caurumiem 4,8 × 1010 elektroniemMAPbBr32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 caurumiem 1,1 × 1011 elektroniemMAPbCl32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 caurumiem 1,1 × 1011 elektroniemMAPbCl32,97 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 Caurumu kustīgums SCLC1.8 × 10-8
2,8 × 109
1,34 × 1010
| Materiāli | Aizliegtās zonas platums vai absorbcijas sākums | Kustīgums [cm2 V-1 s-1] | Elektriskā vadītspēja [Ω-1 cm-1] | Lādiņnesēju dzīves ilgums un metode | Lādiņnesēju koncentrācija un tips [cm-3] (n vai p) | Difūzijas garums | Slazdu blīvums [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (Hall) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 līdz 5 × 1010 p | 3–17 µm | 5,8 × 109 |