Perovskietsynthese door ultrasone behandeling

Ultrasoon geïnduceerde en geïntensiveerde reacties bieden een eenvoudige, nauwkeurig regelbare en veelzijdige synthesemethode voor de productie van door licht geactiveerde materialen, die vaak niet met conventionele technieken kunnen worden bereid.
De ultrasone kristallisatie en precipitatie van perovskietkristallen is een zeer effectieve en economische techniek waarmee perovskietnanokristallen op industriële schaal voor massaproductie kunnen worden geproduceerd.

Ultrasone synthese van perovskietnanokristallen

Organisch–anorganische loodhalogenideperovskieten vertonen uitzonderlijke opto-elektronische eigenschappen, zoals een hoge lichtabsorptie, een zeer lange levensduur van ladingsdragers, een diffusielengte van ladingsdragers en een hoge mobiliteit van ladingsdragers. Hierdoor zijn perovskietverbindingen een superieur functioneel materiaal voor toepassingen met hoge prestaties in zonnepanelen, leds, fotodetectoren, lasers enz.
Ultrasone behandeling is een van de fysische methoden om verschillende organische reacties te versnellen. Het kristallisatieproces wordt door de ultrasone behandeling beïnvloed en gestuurd, waardoor de grootte-eigenschappen van de monokristallijne perovskietnanodeeltjes regelbaar zijn.

TEM-beelden van CH₃NH₃PbBr₃ kwantumdots (a) met en (b) zonder ultrasone behandeling.

Casestudy’s van ultrasone perovskietsynthese

In onderzoek zijn uiteenlopende vormen van ultrasoon ondersteunde groei van perovskietkristallen uitgevoerd. Over het algemeen worden perovskietkristallen bereid met de groeimethode vanuit een vloeistof. Om perovskietkristallen te laten precipiteren, wordt de oplosbaarheid van de beoogde monsters in een precursoroplossing langzaam en gecontroleerd verlaagd. De ultrasone precipitatie van perovskietnanokristallen is voornamelijk gebaseerd op quenching met een anti-oplosmiddel.

Ultrasone kristallisatie van perovskietnanokristallen

Jang et al. (2016) rapporteren de succesvolle ultrasoon ondersteunde synthese van loodhalogenideperovskietnanokristallen. Met behulp van ultrageluid werden nanokristallen van perovskiet met de formule APbX₃ en een breed scala aan samenstellingen geprecipiteerd, waarbij A = CH₃NH₃, Cs of HN=CHNH₃ (formamidinium) en X = Cl, Br of I. Ultrasone behandeling versnelt het oplossen van de precursors (AX en PbX₂) in tolueen, en de oplossnelheid bepaalt de groeisnelheid van de nanokristallen. Vervolgens vervaardigde het onderzoeksteam zeer gevoelige fotodetectoren door de nanokristallen met uniforme grootte met spincoating homogeen aan te brengen 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 door cavitatie geïnitieerde asymmetrische kristallisatie (CTAC). Deze bevordert heterogene nucleatie door voldoende energie te leveren om de nucleatiebarrière te overwinnen. Kort gezegd voegden zij zeer korte ultrasone pulsen (≈ 1sec) toe aan de oplossing wanneer deze door dampdiffusie van een anti-oplosmiddel een laag oververzadigingsniveau had bereikt. De ultrasone puls wordt bij hoge oververzadigingsniveaus toegepast, waarbij cavitatie overmatige nucleatie veroorzaakt en daarmee de groei van een groot aantal kleine kristallen. Veelbelovend was dat monokristallijne films van MAPbBr₃ binnen enkele uren van de cyclische ultrasone behandeling op het oppervlak van verschillende substraten groeiden.

Ultrasone synthese van perovskietkwantumdots

Chen et al. (2017) presenteren in hun onderzoek een efficiënte methode om perovskietkwantumdots (QD’s) te bereiden onder ultrasone bestraling. Ultrasone behandeling wordt gebruikt als mechanische methode om de precipitatie van perovskietkwantumdots te versnellen. Het kristallisatieproces van de perovskietkwantumdots wordt door de ultrasone behandeling geïntensiveerd en gestuurd, waardoor de grootte van de nanokristallen nauwkeurig op maat kan worden afgestemd. De analyse van de structuur, de deeltjesgrootte en de morfologie van de perovskietkwantumdots liet zien dat ultrasone kristallisatie kleinere deeltjesgroottes en een uniformere deeltjesgrootteverdeling oplevert. Met de ultrasone (= sonochemische) synthese was het ook mogelijk om perovskietkwantumdots met verschillende chemische samenstellingen te produceren. Deze verschillende samenstellingen in de perovskietkristallen maakten het mogelijk om de emissiepieken en adsorptieranden van CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br en I) te ‘unable’, wat leidde tot een extreem breed kleurengamma.

Ultrasone dispersie

Ultrasone behandeling van suspensies van nanodeeltjes en inkten is een betrouwbare techniek om deze homogeen te dispergeren voordat de nanosuspensie wordt aangebracht op substraten zoals roosters of elektroden. (vgl. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ultrasone dispersie verwerkt gemakkelijk hoge concentraties vaste stoffen (bijv. pasta’s) en verdeelt nanodeeltjes in afzonderlijk gedispergeerde deeltjes, zodat een uniforme suspensie ontstaat. Dit zorgt ervoor dat bij de daaropvolgende toepassing, wanneer het substraat wordt gecoat, geen klontering, zoals agglomeraten, de prestaties van de coating aantast.

Ultrasone dispersie levert uniforme suspensies met deeltjes van nanoformaat op: groene curve – vóór sonicatie / rode curve na sonicatie

Ultrasone processoren voor perovskietprecipitatie

Hielscher Ultrasonics ontwerpt en vervaardigt ultrasone systemen met hoge prestaties voor de sonochemische synthese van hoogwaardige perovskietkristallen. Als marktleider met jarenlange ervaring in ultrasone verwerking ondersteunt Hielscher Ultrasonics zijn klanten vanaf de eerste haalbaarheidstest, via procesoptimalisatie, tot de uiteindelijke installatie van industriële ultrasone processoren voor grootschalige productie. Met het volledige assortiment, van ultrasone apparaten voor het laboratorium en de werkbank tot industriële ultrasone processoren, kan Hielscher u het ideale apparaat voor uw nanokristalproces aanbevelen.
Alle ultrasone apparaten van Hielscher zijn nauwkeurig regelbaar en kunnen worden ingesteld op zeer lage tot zeer hoge amplitudes. De amplitude is een van de belangrijkste factoren die de werking en het destructieve effect van sonicatieprocessen beïnvloeden. De ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics leveren een zeer breed spectrum aan amplitudes voor toepassingen die variëren van zeer mild en zacht tot zeer intens en destructief. Door de juiste amplitude-instelling, booster en sonotrode te kiezen, kan de vereiste ultrasone werking voor uw specifieke proces worden ingesteld. Het speciale inzetstuk van Hielscher voor doorstroomcelreactoren, MPC48 – MultiPhaseCavitator (zie afbeelding links) – maakt het mogelijk om de tweede fase via 48 canules als een ‘thin strain’ in de cavitatiehotspot te injecteren, waar ultrasone golven met hoge prestaties de twee fasen tot een homogeen mengsel dispergeren. De MultiPhaseCavitator is ideaal om kristalkiemvorming te initiëren en de precipitatiereactie van perovskietnanokristallen te sturen.
De industriële ultrasone processoren van Hielscher kunnen buitengewoon hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf bij zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
Onze klanten zijn tevreden over de buitengewone robuustheid en betrouwbaarheid van de systemen van Hielscher Ultrasonics. De installatie voor toepassingen met zware belasting, veeleisende omgevingen en 24/7-bedrijf zorgt voor een efficiënte en economische verwerking. Ultrasone procesintensivering verkort de verwerkingstijd en levert betere resultaten op, d.w.z. hogere kwaliteit, hogere opbrengsten en innovatieve producten.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasone apparaten: