Síntese de perovskita por ultrassom

As reacções induzidas e intensificadas por ultra-sons oferecem um método de síntese fácil, precisamente controlável e versátil para a produção de materiais activados pela luz, que muitas vezes não podem ser preparados por técnicas convencionais.
A cristalização ultra-sónica e a precipitação de cristais de perovskite é uma técnica altamente eficaz e económica, que permite produzir nanocristais de perovskite à escala industrial para produção em massa.

Síntese ultra-sónica de nanocristais de perovskite

As perovskitas de halogeneto de chumbo orgânico-inorgânico apresentam propriedades optoelectrónicas excepcionais, tais como elevada absorção de luz, tempo de vida muito longo dos portadores, comprimento de difusão dos portadores e elevada mobilidade dos portadores, o que faz dos compostos de perovskita um material funcional superior para aplicações de elevado desempenho em painéis solares, LED, fotodetectores, lasers, etc.
Ultrasonication é um dos métodos físicos para acelerar várias reações orgânicas. O processo de cristalização é influenciado e controlado pelo tratamento ultrassónico, resultando nas propriedades de tamanho controlável das nanopartículas de perovskite monocristalinas.

Imagens TEM para CH₃nH₃PbBr₃ QDs (a) com e (b) sem tratamento ultrassónico.

Estudos de casos de síntese ultra-sónica de perovskite

A investigação conduziu a vários tipos de crescimento de cristais de perovskite assistido por ultra-sons. Em geral, os cristais de perovskita são preparados com o método de crescimento líquido. A fim de precipitar cristais de perovskita, a solubilidade das amostras alvo é lentamente e controlada reduzida numa solução precursora. A precipitação ultra-sónica de nano cristais de perovskite baseia-se principalmente numa extinção anti-solvente.

Cristalização ultra-sónica de nanocristais de perovskite

Jang et al. (2016) relatam a síntese ultra-sônica assistida com sucesso de nanocristais de perovskita de haleto de chumbo. Usando ultrassom, APbX₃ nanocristais de perovskite com uma vasta gama de composições, em que A = CH₃nH₃, Cs, ou HN=CHNH₃ (formamidínio), e X = Cl, Br, ou I, foram precipitados. A ultra-sons acelera o processo de dissolução dos precursores (AX e PbX₂) em tolueno, e a taxa de dissolução determina a taxa de crescimento dos nanocristais. Posteriormente, a equipa de investigação fabricou fotodetectores de alta sensibilidade através do revestimento homogéneo dos nanocristais de tamanho uniforme em 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 Perovskite

Peng et al. (2016) desenvolveram um novo método de crescimento baseado em uma cristalização assimétrica desencadeada por cavitação (CTAC), que promove a nucleação heterogênea, fornecendo energia suficiente para superar a barreira de nucleação. Resumidamente, eles introduziram pulsos ultra-sônicos muito curtos (≈ 1sec) para a solução quando atingiu um baixo nível de supersaturação com difusão de vapor antisolvente. O pulso ultra-sônico é introduzido em altos níveis de supersaturação, onde a cavitação desencadeia eventos de nucleação excessivos e, portanto, o crescimento de uma infinidade de pequenos cristais. Promissoramente, o MAPbBr₃ filmes monocristalinos cresceram na superfície de vários substratos dentro de várias horas após o tratamento de ultra-sons cíclico.

Síntese ultra-sónica de pontos quânticos de perovskite

Chen et al. (2017) apresentam em seu trabalho de pesquisa um método eficiente para preparar pontos quânticos de perovskita (QDs) sob irradiação ultrassônica. Ultrasonication é usado como um método mecânico, a fim de acelerar a precipitação de pontos quânticos perovskite. O processo de cristalização dos pontos quânticos de perovskita é intensificado e controlado pelo tratamento ultrassónico, resultando no tamanho precisamente adaptado dos nanocristais. A análise da estrutura, tamanho de partícula e morfologia dos pontos quânticos de perovskita mostrou que a cristalização ultra-sônica dá um tamanho de partícula menor e uma distribuição de tamanho de partícula mais uniforme. Usando a síntese ultra-sônica (= sonoquímica), também foi possível produzir pontos quânticos de perovskita com diferentes composições químicas. Estas diferentes composições nos cristais de perovskite permitiram impossibilitar picos de emissão e bordos de adsorção de CH₃nH₃PbX₃ (X = Cl, Br e I), o que conduziu a uma gama de cores extremamente ampla.

Dispersão ultra-sónica

A ultrassônica de suspensões de nano partículas e tintas é uma técnica confiável para dispersá-las homogeneamente antes de aplicar a nano-suspensão em substratos como grades ou eletrodos. (cf. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
A dispersão ultra-sónica lida facilmente com concentrações elevadas de sólidos (por exemplo, pastas) e distribui as nanopartículas em partículas únicas dispersas, de modo a produzir uma suspensão uniforme. Isto assegura que, na aplicação subsequente, quando o substrato é revestido, nenhuma aglomeração, tal como os aglomerados, prejudica o desempenho do revestimento.

A dispersão ultra-sônica prepara suspensões uniformes de tamanho nano: curva verde – antes da sonicação / curva vermelha após a sonicação

Processadores ultra-sónicos para a precipitação de perovskite

Hielscher Ultrasonics projeta e fabrica sistemas ultra-sônicos de alto desempenho para a síntese sonoquímica de cristais de perovskita de alta qualidade. Como líder de mercado e com longa experiência em processamento ultrassónico, a Hielscher Ultrasonics assiste os seus clientes desde o primeiro teste de viabilidade à otimização do processo até à instalação final de processadores ultra-sónicos industriais para produção em grande escala. Oferecendo o portfólio completo de ultrasonicators 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 ultrassons Hielscher são controláveis com precisão e podem ser ajustados de amplitudes muito baixas a muito altas. A amplitude é um dos principais factores que influenciam o impacto e a destrutividade dos processos de sonicação. Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultra-sónicos proporcionam um espetro muito amplo de amplitudes que cobrem a gama de aplicações muito suaves e macias a muito intensas e destrutivas. A escolha do ajuste correto da amplitude, do reforço e do sonotrodo permite definir o impacto ultrassónico necessário para o seu processo específico. Inserção do reator de célula de fluxo especial MPC48 da Hielscher – Cavitador multifásico (ver figura à esquerda) – permite injetar a segunda fase através de 48 cânulas, como uma fina tensão, no ponto quente cavitacional, onde ondas de ultra-sons de elevado desempenho dispersam as duas fases numa mistura homogénea. O MultiPhaseCavitator é ideal para iniciar pontos de sementeira de cristais e para controlar a reação de precipitação de nanocristais de perovskite.
Os processadores ultra-sónicos industriais Hielscher podem fornecer amplitudes extraordinariamente elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço pesado e em ambientes exigentes.
Os nossos clientes estão satisfeitos com a extraordinária robustez e fiabilidade dos sistemas da Hielscher Ultrasonic. A instalação em áreas de aplicação pesada, ambientes exigentes e operação 24/7 garantem um processamento eficiente e económico. A intensificação do processo ultrassónico reduz o tempo de processamento e alcança melhores resultados, ou seja, maior qualidade, maiores rendimentos, produtos inovadores.
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: