Sinteza perovskitului prin ultrasonication
Ultrasonically induse și intensificate reacții oferă o metodă de sinteză facilă, precis controlabilă și versatilă pentru producerea de materiale activate de lumină, care de multe ori nu pot fi preparate prin tehnici convenționale.
Cristalizarea cu ultrasunete și precipitarea cristalelor de perovskit este o tehnică extrem de eficientă și economică, care permite producerea nanocristalelor de perovskit la scară industrială pentru producția în masă.
Sinteza cu ultrasunete a nanocristalelor de perovskit
Perovskiții organici-anorganici cu halogenuri de plumb prezintă proprietăți optoelectronice excepționale, cum ar fi absorbția ridicată a luminii, durata de viață foarte lungă a purtătorului, lungimea difuziei purtătorului și mobilitatea ridicată a purtătorului, ceea ce face din compușii perovskiți un material funcțional superior pentru aplicații de înaltă performanță în panouri solare, LED-uri, fotodetectoare, lasere etc.
Ultrasonication este una dintre metodele fizice pentru accelerarea diferitelor reacții organice. Procesul de cristalizare este influențat și controlat de tratamentul cu ultrasunete, rezultând proprietățile de dimensiune controlabile ale nanoparticulelor de perovskit monocristalin.
Imagini TEM pentru CH3Nh3PbBr3 QD (a) cu și (b) fără tratament cu ultrasunete.
UIP2000hdT cu reactor cu celule de flux presurizabile
Studii de caz de sinteza cu ultrasunete perovskit
Cercetările au efectuat tipuri multiple de creștere a cristalelor de perovskit asistate ultrasonically. În general, cristalele de perovskit sunt preparate prin metoda creșterii lichidelor. Pentru precipitarea cristalelor de perovskit, solubilitatea probelor țintă este redusă lent și controlat într-o soluție precursoare. Precipitarea cu ultrasunete a nanocristalelor de perovskit se bazează în principal pe o stingere antisolventă.
Cristalizarea cu ultrasunete a nanocristalelor de perovskit
Jang et al. (2016) raportează sinteza ultrasonically asistată cu succes a nanocristalelor de perovskit cu halogenuri de plumb. Folosind ultrasunete, APbX3 nanocristale de perovskit cu o gamă largă de compoziții, unde A = CH3Nh3, Cs sau HN=CHNH3 (formamidiniu) și X = Cl, Br sau I au fost precipitate. Ultrasonication accelerează procesul de dizolvare a precursorilor (AX și PbX2) în toluen, iar viteza de dizolvare determină viteza de creștere a nanocristalelor. Ulterior, echipa de cercetare a fabricat fotodetectoare de înaltă sensibilitate prin acoperirea omogenă a nanocristalelor de dimensiuni uniforme pe substraturi de oxid de siliciu cu suprafață mare.
Distribuțiile dimensiunii particulelor CH3NH3PbBr3 (a) cu și (b) fără tratamentul cu ultrasunete.
Chen și colab. 2017
Cristalizarea asimetrică cu ultrasunete a perovskitului
Peng et al. (2016) au dezvoltat o nouă metodă de creștere bazată pe o cristalizare asimetrică declanșată de cavitație (CTAC), care promovează nucleația eterogenă prin furnizarea de suficientă energie pentru a depăși bariera de nucleație. Pe scurt, au introdus impulsuri ultrasonice foarte scurte (≈ 1sec) la soluție atunci când a atins un nivel scăzut de suprasaturație cu difuzie de vapori antisolvent. Pulsul ultrasonic este introdus la niveluri ridicate de suprasaturație, unde cavitația declanșează evenimente excesive de nucleație și, prin urmare, creșterea unei multitudini de cristale mici. Promițător, MAPbBr3 Filmele monocristaline au crescut pe suprafața diferitelor substraturi în câteva ore de la tratamentul ciclic cu ultrasunete.
Sinteza cu ultrasunete a punctelor cuantice perovskite
Chen et al. (2017) prezintă în activitatea lor de cercetare o metodă eficientă de preparare a punctelor cuantice perovskite (QD) sub iradiere cu ultrasunete. Ultrasonication este folosit ca metodă mecanică pentru a accelera precipitarea punctelor cuantice perovskite. Procesul de cristalizare a punctelor cuantice perovskite este intensificat și controlat prin tratamentul cu ultrasunete, rezultând dimensiunea precis adaptată a nanocristalelor. Analiza structurii, dimensiunii particulelor și morfologiei punctelor cuantice perovskite a arătat că cristalizarea cu ultrasunete oferă dimensiuni mai mici ale particulelor și o distribuție mai uniformă a dimensiunii particulelor. Folosind sinteza cu ultrasunete (= sonochimică), a fost, de asemenea, posibil să se producă puncte cuantice perovskite cu diferite compoziții chimice. Aceste compoziții diferite din cristalele de perovskit au permis imposibilitatea vârfurilor de emisie și a marginilor de adsorbție ale CH3Nh3Pbx3 (X = Cl, Br și I), ceea ce a dus la o gamă de culori extrem de largă.
Dispersie cu ultrasunete
Ultrasonication de suspensii de nanoparticule și cerneluri este o tehnică fiabilă pentru a le dispersa omogen înainte de a aplica nano-suspensie pe substraturi, ar fi grile sau electrozi. (cf. Belchi et al. 2019; Pichler și colab. 2018)
Dispersia cu ultrasunete manipulează cu ușurință concentrații solide ridicate (de exemplu, paste) și distribuie nanoparticule în particule cu o singură dispersie, astfel încât se produce o suspensie uniformă. Acest lucru asigură faptul că, în aplicarea ulterioară, atunci când substratul este acoperit, nicio aglomerare, cum ar fi aglomeratele, nu afectează performanța acoperirii.
Dispersia cu ultrasunete pregătește suspensii uniforme de dimensiuni nano: curbă verde – Înainte de sonicare / curba roșie după sonicare
Procesoare cu ultrasunete pentru precipitații perovskite
Hielscher Ultrasonics proiectează și produce sisteme cu ultrasunete de înaltă performanță pentru sinteza sonochimică a cristalelor de perovskit de înaltă calitate. Ca lider de piață și cu experiență îndelungată în prelucrarea cu ultrasunete, Hielscher Ultrasonics asistă clienții săi de la primul test de fezabilitate pentru optimizarea procesului până la instalarea finală a procesoarelor industriale cu ultrasunete pentru producția pe scară largă. Oferind portofoliul complet de la ultrasonicators de laborator și banc-top până la procesoare industriale cu ultrasunete, Hielscher vă poate recomanda dispozitivul ideal pentru procesul nanocristal.
Toate ultrasonicators Hielscher sunt controlabile cu precizie și pot fi reglate de la amplitudini foarte mici la foarte mari. Amplitudinea este unul dintre principalii factori care influențează impactul și distructivitatea proceselor de sonicare. Hielscher Ultrasonics’ Procesoarele cu ultrasunete oferă un spectru foarte larg de amplitudini care acoperă gama de aplicații foarte ușoare și moi până la foarte intense și distructive. Alegerea setării corecte a amplitudinii, rapel și sonotrode permite setarea impactului ultrasonic necesar pentru procesul dvs. specific. Hielscher's special flux reactor cu celule de flux introduce MPC48 – MultiPhaseCavitator (vezi pic. stânga) – permite injectarea celei de-a doua faze prin 48 de canule ca o tulpină subțire în punctul fierbinte cavitațional, unde undele cu ultrasunete de înaltă performanță dispersează cele două faze într-un amestec omogen. MultiPhaseCavitator este ideal pentru inițierea punctelor de însămânțare a cristalelor și pentru controlul reacției de precipitare a nanocristalelor de perovskit.
Hielscher procesoare industriale cu ultrasunete poate livra amplitudini extraordinar de mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Robustețea echipamentului cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 la grele și în medii solicitante.
Clienții noștri sunt mulțumiți de robustețea remarcabilă și fiabilitatea sistemelor Hielscher cu ultrasunete. Instalarea în domenii cu aplicații grele, medii solicitante și funcționare 24/7 asigură o prelucrare eficientă și economică. Intensificarea procesului cu ultrasunete reduce timpul de procesare și obține rezultate mai bune, adică o calitate superioară, randamente mai mari, produse inovatoare.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:
| Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 00,5 până la 1,5 ml | n.a. | VialTweeter |
| 1 până la 500 ml | 10 până la 200 ml/min | UP100H |
| 10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 până la 20L | 00.2 până la 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L / min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L / min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | grup de UIP16000 |
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
Omogenizatoare cu ultrasunete de mare putere de la Laborator spre pilot și scară industrială.
Literatură/Referințe
- Raphaëlle Belchi; Aurélie Habert; Eddy Foy; Alexandre Gheno; Sylvain Vedraine; Rémi Antony; Bernard Ratier; Johann Bouclé; Nathalie Herlin-Boimecor (2019): One-Step Synthesis of TiO2/Graphene Nanocomposites by Laser Pyrolysis with Well-Controlled Properties and Application in Perovskite Solar Cells. ACS Omega. 2019 Jul 31; 4(7): 11906–11913.
- Dong Myung Jang, Duk Hwan Kim, Kidong Park, Jeunghee Park, Jong Woon Lee, Jae Kyu Song (2016): Ultrasound synthesis of lead halide perovskite nanocrystals. Journal of Materials Chemistry C. Issue 45, 2016.
- Lung-Chien Chen, Zong-Liang Tseng, Shih-You Chen, Shengyi Yang (2017): An ultrasonic synthesis method for high-luminance perovskite quantum dots. Cermaics international 43, 2017. 16032-16035.
- Birgit Pichler; Kurt Mayer; Prof. Viktor Hacker (2018): Long‐Term Operation of Perovskite‐Catalyzed Bifunctional Air Electrodes in Rechargeable Zinc‐Air Flow Batteries. Batteries & Supercaps Vol. 2, Issue 4, April 2019. 387-395.
- Wei Peng, Lingfei Wang, Banavoth Murali, Kang-Ting Ho, Ashok Bera, Namchul Cho, Chen-Fang Kang, Victor M. Burlakov, Jun Pan, Lutfan Sinatra, Chun Ma, Wei Xu, Dong Shi, Erkki Alarousu, Alain Goriely, Jr-Hau He, Omar F. Mohammed, Tom Wu, Osman M. Bakr (2016): Solution-Grown Monocrystalline Hybrid Perovskite Films for Hole-Transporter-Free Solar Cells. Advanced Materials 2016.
Fapte care merită știute
Perovskit
Perovskitul este un termen care descrie mineralul Perovskit (cunoscut și sub numele de oxid de titan de calciu sau titanat de calciu, formula chimică CaTiO3), precum și o structură materială specifică. În conformitate cu același nume, mineralul Perovskite prezintă structura perovskitului.
Compușii perovskiți pot apărea în structură cubică, tetragonală sau ortorombică și au formula chimică ABX3. A și B sunt cationi, în timp ce X reprezintă un anion, care se leagă de ambele. În compușii perovskiți, cationul A este semnificativ mai mare decât cationul B. Alte minerale cu structură perovskită sunt Loparitul și Bridgmanitul.
Perovskitele au o structură cristalină unică și în această structură pot fi combinate diferite elemente chimice. Datorită structurii cristaline speciale, moleculele de perovskit pot prezenta diverse proprietăți valoroase, cum ar fi supraconductivitatea, magnetorezistența foarte mare și / sau feroelectricitatea, ceea ce face ca acești compuși să fie extrem de interesanți pentru aplicațiile industriale. În plus, un număr mare de elemente diferite pot fi combinate împreună pentru a forma structuri perovskite, ceea ce face posibilă combinarea, modificarea și intensificarea anumitor caracteristici ale materialului. Cercetătorii, oamenii de știință și dezvoltatorii de procese folosesc aceste opțiuni pentru a proiecta selectiv și optimiza caracteristicile fizice, optice și electrice ale perovskitului.
Proprietățile lor optoelectronice fac ca perovskiții hibrizi să fie candidați ideali pentru aplicațiile celulelor solare, iar celulele solare perovskite sunt o tehnologie promițătoare, care ar putea ajuta la producerea unor cantități mari de energie curată și ecologică.
Parametrii optoelectronici critici ai perovskitului monocristalin raportați în literatura de specialitate:
τs = 28 ns τb = 300 ns PL
1,3-4,3 μm3 × 1010MAPbI31,51 eV 820 nm67,2 (SCLC)
τs = 18 ns τb = 570 ns PL
1,8–10,0 μm1,4 × 1010MAPbI3850 nm164 ± 25 Mobilitate orificiu (SCLC) 105 Mobilitate orificiu (hală) 24 ± 6,8 electroni SCLC
82 ± 5 μs TPV 95 ± 8 μs spectroscopie de impedanță (IS)9 × 109 p175 ± 25 μm3,6 × 1010 pentru gaura 34,5 × 1010 pentru electronMAPbI31.53 eV 784 nm34 Hala
8.8 × 1011 p
1,8 × 109 pentru gaură 4,8 × 1010 pentru electronMAPbBr31.53 eV 784 nm34 Hala
8.8 × 1011 p
1,8 × 109 pentru gaură 4,8 × 1010 pentru electronMAPbBr32.24 eV 537 nm4.36 Hala
3.87 × 1012 p
2.6 × 1010 pentru gaura 1.1 × 1011 pentru electronMAPbCl32.24 eV 537 nm4.36 Hala
3.87 × 1012 p
2.6 × 1010 pentru gaura 1.1 × 1011 pentru electronMAPbCl32.97 eV 402 nm179 Hala
5.1 × 109 N
MAPbCl32,88 eV 440 nm42 ± 9 (SCLC)2,7 × 10-8τs = 83 ns τb = 662 ns PL4.0 × 109 p3,0–8,5 μm3,1 × 1010FAPbI31,49 eV 870 nm40 ± 5 Mobilitate orificiu SCLC1.8 × 10-8
2.8 × 109
1.34 × 1010
| Materiale | Decalajul de bandă sau debutul absorbției | Mobilitate [cm2 V-1 s-1] | Conductanță [Ω-1 centimetru-1] | Durata de viață și metoda suportului | Concentrația și tipul purtătorului [cm-3] (n sau p) | Lungimea difuziei | Densitatea capcanei [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (Sala) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 până la 5 × 1010 p | 3–17 μm | 5.8 × 109 |