Síntese de perovskita por ultrassonicação

As reações induzidas e intensificadas por ultrassons oferecem um método de síntese simples, precisamente controlável e versátil para a produção de materiais ativados pela luz, que muitas vezes não podem ser preparados por técnicas convencionais.
A cristalização e a precipitação ultrassónicas de cristais de perovskita constituem uma técnica altamente eficaz e económica, que permite produzir nanocristais de perovskita à escala industrial para produção em massa.

Síntese ultrassónica de nanocristais de perovskita

As perovskitas de halogenetos de chumbo orgânicas–inorgânicas apresentam propriedades optoeletrónicas excecionais, como elevada absorção de luz, tempo de vida muito longo dos portadores de carga, comprimento de difusão dos portadores de carga e elevada mobilidade dos portadores de carga, o que torna os compostos de perovskita um material funcional superior para aplicações de elevado desempenho em painéis solares, LED, fotodetetores, lasers, etc.
A ultrassonicação é um dos métodos físicos utilizados para acelerar várias reações orgânicas. O processo de cristalização é influenciado e controlado pelo tratamento ultrassónico, permitindo controlar as propriedades dimensionais das nanopartículas monocristalinas de perovskita.

Imagens de TEM de pontos quânticos de CH₃NH₃PbBr₃ (a) com e (b) sem tratamento ultrassónico.

Estudos de caso de síntese ultrassónica de perovskita

Foram investigados diversos tipos de crescimento de cristais de perovskita assistido por ultrassons. Em geral, os cristais de perovskita são preparados pelo método de crescimento em meio líquido. Para precipitar cristais de perovskita, a solubilidade das amostras-alvo numa solução precursora é reduzida lentamente e de forma controlada. A precipitação ultrassónica de nanocristais de perovskita baseia-se principalmente numa têmpera com antissolvente.

Cristalização ultrassónica de nanocristais de perovskita

Jang et al. (2016) relatam a síntese bem-sucedida de nanocristais de perovskita de halogenetos de chumbo assistida por ultrassons. Utilizando ultrassons, foram precipitados nanocristais de perovskita APbX₃ com uma ampla gama de composições, em que A = CH₃NH₃, Cs ou HN=CHNH₃ (formamidínio), e X = Cl, Br ou I. A ultrassonicação acelera o processo de dissolução dos precursores (AX e PbX₂) em tolueno, e a velocidade de dissolução determina a velocidade de crescimento dos nanocristais. Posteriormente, a equipa de investigação fabricou fotodetetores de elevada sensibilidade, depositando homogeneamente os nanocristais de tamanho uniforme por revestimento por rotação sobre substratos de óxido de silício de grande área.

Distribuições do tamanho das partículas de CH3NH3PbBr3 (a) com e (b) sem tratamento ultrassónico.
Chen et al. 2017

Cristalização assimétrica ultrassónica de perovskita

Peng et al. (2016) desenvolveram um novo método de crescimento baseado numa cristalização assimétrica desencadeada por cavitação (CTAC), que promove a nucleação heterogénea ao fornecer energia suficiente para ultrapassar a barreira de nucleação. Em resumo, introduziram impulsos ultrassónicos muito curtos (≈ 1sec) na solução quando esta atingiu um baixo nível de sobressaturação por difusão de vapor de antissolvente. O impulso ultrassónico é introduzido a níveis elevados de sobressaturação, nos quais a cavitação desencadeia um número excessivo de eventos de nucleação e, consequentemente, o crescimento de uma grande quantidade de cristais minúsculos. De forma promissora, películas monocristalinas de MAPbBr₃ cresceram na superfície de vários substratos em poucas horas de tratamento cíclico por ultrassonicação.

Síntese ultrassónica de pontos quânticos de perovskita

Chen et al. (2017) apresentam no seu trabalho de investigação um método eficiente para preparar pontos quânticos de perovskita (QDs) sob irradiação ultrassónica. A ultrassonicação é utilizada como método mecânico para acelerar a precipitação de pontos quânticos de perovskita. O processo de cristalização dos pontos quânticos de perovskita é intensificado e controlado pelo tratamento ultrassónico, resultando num tamanho dos nanocristais ajustado com precisão. A análise da estrutura, do tamanho das partículas e da morfologia dos pontos quânticos de perovskita mostrou que a cristalização ultrassónica proporciona tamanhos de partículas menores e uma distribuição do tamanho das partículas mais uniforme. Utilizando a síntese ultrassónica (= sonoquímica), também foi possível produzir pontos quânticos de perovskita com diferentes composições químicas. Essas diferentes composições nos cristais de perovskita permitiram «unable» os picos de emissão e os limiares de adsorção de CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br e I), o que conduziu a uma gama de cores extremamente ampla.

Dispersão ultrassónica

A ultrassonicação de suspensões de nanopartículas e tintas é uma técnica fiável para as dispersar homogeneamente antes de aplicar a nanossuspensão em substratos como grelhas ou elétrodos. (cf. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
A dispersão ultrassónica lida facilmente com concentrações elevadas de sólidos (p. ex., pastas) e dispersa as nanopartículas individualmente, produzindo uma suspensão uniforme. Isto assegura que, na aplicação subsequente, quando o substrato é revestido, nenhuma acumulação, como aglomerados, prejudica o desempenho do revestimento.

A dispersão ultrassónica prepara suspensões uniformes de partículas nanométricas: curva verde – antes da sonicação / curva vermelha após a sonicação

Processadores ultrassónicos para precipitação de perovskita

A Hielscher Ultrasonics concebe e fabrica sistemas ultrassónicos de elevado desempenho para a síntese sonoquímica de cristais de perovskita de elevada qualidade. Como líder de mercado e com uma longa experiência em processamento ultrassónico, a Hielscher Ultrasonics apoia os seus clientes desde o primeiro teste de viabilidade, passando pela otimização do processo, até à instalação final de processadores ultrassónicos industriais para produção em grande escala. Dispondo de uma gama completa, desde sonicadores de laboratório e de bancada até processadores ultrassónicos industriais, a Hielscher pode recomendar-lhe o dispositivo ideal para o seu processo de nanocristais.
Todos os sonicadores Hielscher são precisamente controláveis e podem ser ajustados de amplitudes muito baixas a muito elevadas. A amplitude é um dos principais fatores que influenciam o impacto e o poder destrutivo dos processos de sonicação. Os processadores ultrassónicos da Hielscher Ultrasonics proporcionam um espectro muito amplo de amplitudes, abrangendo aplicações desde muito suaves e delicadas até muito intensas e destrutivas. A escolha da regulação de amplitude, do amplificador de amplitude e do sonotrodo adequados permite definir o impacto ultrassónico necessário para o seu processo específico. O inserto especial da Hielscher para reatores de célula de fluxo MPC48 – MultiPhaseCavitator (ver imagem à esquerda) – permite injetar a segunda fase através de 48 cânulas sob a forma de «thin strain» na zona de elevada intensidade da cavitação, onde ondas ultrassónicas de elevado desempenho dispersam as duas fases numa mistura homogénea. O MultiPhaseCavitator é ideal para iniciar pontos de nucleação de cristais e controlar a reação de precipitação dos nanocristais de perovskita.
Os processadores ultrassónicos industriais Hielscher podem proporcionar amplitudes extraordinariamente elevadas. É possível manter facilmente amplitudes de até 200µm em funcionamento contínuo 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço intensivo e em ambientes exigentes.
Os nossos clientes estão satisfeitos com a excecional robustez e fiabilidade dos sistemas da Hielscher Ultrasonic. A instalação em aplicações de serviço intensivo, ambientes exigentes e funcionamento 24/7 assegura um processamento eficiente e económico. A intensificação ultrassónica dos processos reduz o tempo de processamento e proporciona melhores resultados, ou seja, maior qualidade, maiores rendimentos e produtos inovadores.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores: