Síntese de perovskita por ultrassom

As reações induzidas e intensificadas por ultrassom oferecem um método de síntese fácil, precisamente controlável e versátil para a produção de materiais ativados por luz, que muitas vezes não podem ser preparados por técnicas convencionais.
A cristalização ultrassônica e precipitação de cristais de perovskita é uma técnica altamente eficaz e econômica, que permite produzir nanocristais de perovskita em escala industrial para produção em massa.

Síntese ultrassônica de nanocristais de perovskita

As perovskitas de haleto de chumbo orgânico-inorgânico exibem propriedades optoeletrônicas excepcionais, como alta absorção de luz, vida útil muito longa do portador, comprimento de difusão do portador e alta mobilidade do portador, o que torna os compostos de perovskita um material funcional superior para aplicações de alto desempenho em painéis solares, LEDs, fotodetectores, lasers, etc.
A ultrassonografia é um dos métodos físicos para acelerar várias reações orgânicas. O processo de cristalização é influenciado e controlado pelo tratamento ultrassônico, resultando nas propriedades de tamanho controláveis das nanopartículas de perovskita monocristalinas.

Imagens MET para CH₃Nh₃PbBr₃ QDs (a) com e (b) sem tratamento ultrassônico.

Estudos de caso de síntese ultrassônica de perovskita

A pesquisa conduziu vários tipos de crescimento de cristais de perovskita assistidos por ultrassom. Em geral, os cristais de perovskita são preparados com o método de crescimento líquido. Para precipitar cristais de perovskita, a solubilidade das amostras alvo é reduzida lenta e controladamente em uma solução precursora. A precipitação ultrassônica de nanocristais de perovskita é baseada principalmente em uma têmpera antissolvente.

Cristalização ultrassônica de nanocristais de perovskita

Jang et al. (2016) relatam a síntese bem-sucedida assistida por ultrassom de nanocristais de perovskita de haleto de chumbo. Usando ultrassom, APbX₃ nanocristais de perovskita com uma ampla gama de composições, onde A = CH₃Nh₃, Cs ou HN=CHNH₃ (formamidínio) e X = Cl, Br ou I foram precipitados. A ultrassonografia 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 equipe de pesquisa fabricou fotodetectores de alta sensibilidade por rotação homogênea revestindo os nanocristais de tamanho uniforme em substratos de óxido de silício de grande área.

Distribuições granulométricas de CH3NH3PbBr3 (a) com e (b) sem o tratamento ultrassônico.
Chen et al. 2017

Cristalização assimétrica ultrassônica de perovskita

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 ultrassônicos muito curtos (≈ 1 seg) na solução quando ela atingiu um baixo nível de supersaturação com difusão de vapor antissolvente. O pulso ultrassônico é introduzido em altos níveis de supersaturação, onde a cavitação desencadeia eventos de nucleação excessivos e, portanto, o crescimento de uma infinidade de cristais minúsculos. De forma promissora, o MAPbBr₃ Filmes monocristalinos cresceram na superfície de vários substratos dentro de várias horas após o tratamento de ultrassom cíclico.

Síntese ultrassônica de pontos quânticos de perovskita

Chen et al. (2017) apresentam em seu trabalho de pesquisa um método eficiente para preparar pontos quânticos de perovskita (QDs) sob irradiação ultrassônica. A ultrassonografia é usada como um 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 ultrassônico, 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 ultrassônica proporciona tamanhos de partícula menores e uma distribuição de tamanho de partícula mais uniforme. Usando a síntese ultrassônica (= sonoquímica), também foi possível produzir pontos quânticos de perovskita com diferentes composições químicas. Essas diferentes composições nos cristais de perovskita permitiram picos de emissão e bordas de adsorção de CH₃Nh₃Pbx₃ (X = Cl, Br e I), o que levou a uma gama de cores extremamente ampla.

Dispersão ultrassônica

A ultrassonografia de suspensões e tintas de nanopartículas 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 ultrassônica lida facilmente com altas concentrações de sólidos (por exemplo, pastas) e distribui nanopartículas em partículas dispersas únicas para que uma suspensão uniforme seja produzida. Isso garante que, na aplicação subsequente, quando o substrato é revestido, nenhuma aglomeração, como aglomerados, prejudique o desempenho do revestimento.

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

Processadores ultrassônicos para precipitação de perovskita

A Hielscher Ultrasonics projeta e fabrica sistemas ultrassônicos de alto desempenho para a síntese sonoquímica de cristais de perovskita de alta qualidade. Como líder de mercado e com longa experiência em processamento ultrassônico, a Hielscher Ultrasonics auxilia seus clientes desde o primeiro teste de viabilidade até a otimização do processo e a instalação final de processadores ultrassônicos industriais para produção em larga escala. Oferecendo o portfólio completo de ultrasonicadores de laboratório e de bancada até processadores ultrassônicos industriais, a Hielscher pode recomendar o dispositivo ideal para o seu processo de nanocristais.
Todos os ultrasonicadores Hielscher são controláveis com precisão e podem ser ajustados de amplitudes muito baixas a muito altas. A amplitude é um dos principais fatores que influenciam o impacto e a destrutividade dos processos de sonicação. Ultrassom de Hielscher’ Os processadores ultrassônicos oferecem um espectro muito amplo de amplitudes que cobrem a faixa de aplicações muito suaves e suaves a muito intensas e destrutivas. A escolha da configuração correta de amplitude, booster e sonotrodo permite definir o impacto ultrassônico necessário para o seu processo específico. Inserção de reator de célula de fluxo especial MPC48 da Hielscher – MultiPhaseCavitator (veja a foto à esquerda) – Permite injetar a segunda fase através de 48 cânulas como uma tensão fina no ponto quente cavitacional, onde as ondas de ultrassom de alto desempenho dispersam as duas fases em uma mistura homogênea. O MultiPhaseCavitator é ideal para iniciar pontos de semeadura de cristais e controlar a reação de precipitação de nanocristais de perovskita.
Os processadores ultrassônicos industriais Hielscher podem fornecer amplitudes extraordinariamente altas. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassônico da Hielscher permite operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes pesados e exigentes.
Nossos clientes estão satisfeitos com a excelente robustez e confiabilidade dos sistemas da Hielscher Ultrasonic. A instalação em campos de aplicação pesada, ambientes exigentes e operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, garantem um processamento eficiente e econômico. A intensificação do processo ultrassônico reduz o tempo de processamento e alcança melhores resultados, ou seja, maior qualidade, maior rendimento, produtos inovadores.
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: