Synthese van perovskiet door ultrasoonbehandeling

Ultrasoon geïnduceerde en geïntensiveerde reacties bieden een gemakkelijke, nauwkeurig controleerbare en veelzijdige synthesemethode voor de productie van lichtgeactiveerde materialen, die vaak niet met conventionele technieken kunnen worden bereid.
De ultrasone kristallisatie en precipitatie van perovskietkristallen is een zeer effectieve en economische techniek, die het mogelijk maakt om perovskiet nanokristallen op industriële schaal te produceren voor massaproductie.

Ultrasone synthese van perovskiet nanokristallen

Organisch-anorganische loodhalogenide perovskieten vertonen uitzonderlijke opto-elektronische eigenschappen zoals hoge lichtabsorptie, zeer lange levensduur van de drager, diffusielengte van de drager en hoge mobiliteit van de drager, waardoor de perovskietverbindingen een superieur functioneel materiaal zijn voor krachtige toepassingen in zonnepanelen, LED's, fotodetectoren, lasers, enz.
Ultrasoonbehandeling is een van de fysische methoden om verschillende organische reacties te versnellen. Het kristallisatieproces wordt beïnvloed en gecontroleerd door de ultrasone behandeling, wat resulteert in de controleerbare grootte-eigenschappen van de enkelkristallijne perovskiet nanodeeltjes.

TEM-afbeeldingen voor CH₃nH₃PbBr₃ QD's (a) met en (b) zonder ultrasone behandeling.

Case studies van ultrasone perovskietsynthese

Onderzoek heeft geleid tot verschillende soorten ultrasoon geassisteerde perovskietkristalgroei. Over het algemeen worden perovskietkristallen bereid met de vloeibare groeimethode. Om perovskietkristallen te precipiteren wordt de oplosbaarheid van de doelmonsters langzaam en gecontroleerd verlaagd in een precursoroplossing. Ultrasone precipitatie van perovskiet nanokristallen is voornamelijk gebaseerd op een antisolvent quenching.

Ultrasone kristallisatie van perovskiet nanokristallen

Jang et al. (2016) maken melding van de succesvolle ultrasoon ondersteunde synthese van loodhalogenide perovskiet nanokristallen. Met behulp van ultrageluid werd APbX₃ perovskiet nanokristallen met een breed scala aan samenstellingen, waarbij A = CH₃nH₃, Cs of HN=CHNH₃ (formamidinium), en X = Cl, Br, of I, werden neergeslagen. Ultrasoonbehandeling versnelt het oplossingsproces van de precursors (AX en PbX₂) in tolueen en de oplossnelheid bepaalt de groeisnelheid van de nanokristallen. Vervolgens fabriceerde het onderzoeksteam zeer gevoelige fotodetectoren door de nanokristallen van uniforme grootte homogeen te centrifugeren op siliciumoxidesubstraten met een groot oppervlak.

Deeltjesgrootteverdelingen van CH3NH3PbBr3 (a) met en (b) zonder de ultrasone behandeling.
Chen et al. 2017

Ultrasone asymmetrische kristallisatie van perovskiet

Peng et al. (2016) ontwikkelden een nieuwe groeimethode op basis van een cavitatie-getriggerde asymmetrische kristallisatie (CTAC), die heterogene nucleatie bevordert door voldoende energie te leveren om de nucleatiebarrière te overwinnen. Kort gezegd introduceerden ze een zeer korte ultrasone puls (≈ 1sec) in de oplossing wanneer deze een laag niveau van oververzadiging bereikte met dampdiffusie van het antisolatiemiddel. De ultrasone puls werd geïntroduceerd bij hoge oververzadigingsniveaus, waar cavitatie buitensporige nucleatiegebeurtenissen teweegbrengt en daardoor de groei van een overvloed aan kleine kristallen. Veelbelovend is dat MAPbBr₃ monokristallijne films groeiden op het oppervlak van verschillende substraten binnen enkele uren na de cyclische ultrasoonbehandeling.

Ultrasone synthese van perovskiet-kwantumstippen

Chen et al. (2017) presenteren in hun onderzoekswerk een efficiënte methode om perovskiet quantum dots (QD's) te bereiden onder ultrasone bestraling. Ultrasoon bestraling wordt gebruikt als een mechanische methode om de precipitatie van perovskiet quantum dots te versnellen. Het kristallisatieproces van de perovskietkwantumstippen wordt geïntensiveerd en gecontroleerd door de ultrasone behandeling, wat resulteert in de precies op maat gemaakte grootte van de nanokristallen. De analyse van de structuur, de deeltjesgrootte en de morfologie van de perovskietkwantumstippen toonde aan dat de ultrasone kristallisatie een kleinere deeltjesgrootte en een uniformere deeltjesgrootteverdeling oplevert. Met behulp van de ultrasone (= sonochemische) synthese was het ook mogelijk om perovskiet kwantumstippen met verschillende chemische samenstellingen te produceren. Die verschillende samenstellingen in de perovskietkristallen maakten het mogelijk om emissiepieken en adsorptieranden van CH₃nH₃PbX₃ (X = Cl, Br en I), wat leidde tot een extreem breed kleurengamma.

ultrasone dispersie

Ultrasoon maken van nanopartikelsuspensies en -inkten is een betrouwbare techniek om ze homogeen te dispergeren voordat de nanopartikelsuspensie wordt aangebracht op substraten zoals roosters of elektrodes. (cf. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ultrasone dispersie verwerkt gemakkelijk hoge vaste concentraties (bijv. pasta's) en verdeelt nanodeeltjes in enkelvoudig gedispergeerde deeltjes zodat een uniforme suspensie ontstaat. Dit zorgt ervoor dat bij de volgende toepassing, wanneer het substraat gecoat wordt, klontering zoals agglomeraten de prestaties van de coating niet nadelig beïnvloeden.

Ultrasone dispersie bereidt uniforme nanosuspensies: groene curve – vóór sonicatie / rode curve na sonicatie

Ultrasone processors voor perovskietprecipitatie

Hielscher Ultrasonics ontwerpt en produceert hoogwaardige ultrasone systemen voor de sonochemische synthese van hoogwaardige perovskietkristallen. Als marktleider en met een lange ervaring in ultrasone verwerking helpt Hielscher Ultrasonics zijn klanten vanaf de eerste haalbaarheidstest tot aan procesoptimalisatie en de uiteindelijke installatie van industriële ultrasone processors voor grootschalige productie. Hielscher biedt het volledige portfolio van laboratorium- en tafelmodel ultrasone apparaten tot industriële ultrasone processoren. Hielscher kan u het ideale apparaat aanbevelen voor uw nanokristalproces.
Alle Hielscher ultrasone apparaten zijn nauwkeurig regelbaar en kunnen worden ingesteld van zeer lage tot zeer hoge amplitudes. De amplitude is een van de belangrijkste factoren die de impact en de destructiviteit van sonicatieprocessen beïnvloeden. Hielscher ultrasoontechniek’ ultrasone processors leveren een zeer breed spectrum aan amplitudes, van zeer milde en zachte tot zeer intense en destructieve toepassingen. Door de juiste amplitude-instelling, booster en sonotrode te kiezen, kunt u de vereiste ultrasone impact voor uw specifieke proces instellen. Hielscher's speciale flowcelreactorinzetstuk MPC48 – MultiPhaseCavitator (zie foto links) – maakt het mogelijk om de tweede fase via 48 canules als een dunne stam in de cavitatie hotspot te injecteren, waar krachtige ultrasone geluidsgolven de twee fasen dispergeren tot een homogeen mengsel. De MultiPhaseCavitator is ideaal om kristalzaaipunten te initiëren en om de precipitatiereactie van perovskiet nanokristallen te controleren.
Hielscher industriële ultrasoonprocessoren kunnen buitengewoon hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. Dankzij de robuustheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur kan deze 24/7 worden gebruikt onder zware omstandigheden en in veeleisende omgevingen.
Onze klanten zijn tevreden over de uitstekende robuustheid en betrouwbaarheid van de systemen van Hielscher Ultrasonic. De installatie in gebieden met zware toepassingen, veeleisende omgevingen en 24/7 werking zorgen voor een efficiënte en economische verwerking. Ultrasone procesintensivering verkort de verwerkingstijd en zorgt voor betere resultaten, d.w.z. hogere kwaliteit, hogere opbrengsten, innovatieve producten.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: