Tổng hợp perovskite bằng siêu âm

Các phản ứng được siêu âm khởi phát và tăng cường mang lại một phương pháp tổng hợp đơn giản, có thể kiểm soát chính xác và linh hoạt để sản xuất các vật liệu được kích hoạt bằng ánh sáng, vốn thường không thể được điều chế bằng các kỹ thuật thông thường.
Kết tinh và kết tủa tinh thể perovskite bằng siêu âm là một kỹ thuật có hiệu quả cao và tiết kiệm, cho phép sản xuất hàng loạt tinh thể nano perovskite ở quy mô công nghiệp.

Tổng hợp tinh thể nano perovskite bằng siêu âm

Các perovskite halogenua chì hữu cơ–vô cơ thể hiện những tính chất quang điện tử vượt trội như khả năng hấp thụ ánh sáng cao, thời gian sống của hạt tải điện rất dài, chiều dài khuếch tán của hạt tải điện và độ linh động của hạt tải điện cao, khiến các hợp chất perovskite trở thành vật liệu chức năng ưu việt cho các ứng dụng hiệu năng cao trong tấm pin mặt trời, đèn LED, bộ dò quang, laser, v.v.
Siêu âm là một trong những phương pháp vật lý để đẩy nhanh nhiều phản ứng hữu cơ khác nhau. Quá trình kết tinh chịu tác động và được kiểm soát bằng xử lý siêu âm, nhờ đó có thể kiểm soát các đặc tính kích thước của hạt nano perovskite đơn tinh thể.

Ảnh TEM của các chấm lượng tử CH₃NH₃PbBr₃ (QDs) (a) có và (b) không có xử lý siêu âm.

Các nghiên cứu điển hình về tổng hợp perovskite bằng siêu âm

Các nghiên cứu đã thực hiện nhiều hình thức nuôi tinh thể perovskite có hỗ trợ siêu âm. Nhìn chung, tinh thể perovskite được điều chế bằng phương pháp nuôi tinh thể trong pha lỏng. Để kết tủa tinh thể perovskite, độ hòa tan của các mẫu mục tiêu trong dung dịch tiền chất được giảm từ từ và có kiểm soát. Quá trình kết tủa tinh thể nano perovskite bằng siêu âm chủ yếu dựa trên sự kết tủa nhanh bằng dung môi đối kháng.

Kết tinh tinh thể nano perovskite bằng siêu âm

Jang và cộng sự (2016) báo cáo việc tổng hợp thành công tinh thể nano perovskite halogenua chì có hỗ trợ siêu âm. Bằng siêu âm, các tinh thể nano perovskite APbX₃ với nhiều thành phần khác nhau, trong đó A = CH₃NH₃, Cs hoặc HN=CHNH₃ (formamidinium), và X = Cl, Br hoặc I, đã được kết tủa. Siêu âm đẩy nhanh quá trình hòa tan các tiền chất (AX và PbX₂) trong toluen, và tốc độ hòa tan quyết định tốc độ phát triển của các tinh thể nano. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã chế tạo các bộ dò quang có độ nhạy cao bằng cách phủ quay đồng đều các tinh thể nano có kích thước đồng nhất lên các đế oxit silic có diện tích lớn.

Phân bố kích thước hạt của CH3NH3PbBr3 (a) có và (b) không có xử lý siêu âm.
Chen và cộng sự 2017

Kết tinh bất đối xứng perovskite bằng siêu âm

Peng và cộng sự (2016) đã phát triển một phương pháp nuôi tinh thể mới dựa trên quá trình kết tinh bất đối xứng được kích hoạt bởi hiện tượng xâm thực (CTAC), thúc đẩy sự tạo mầm dị thể bằng cách cung cấp đủ năng lượng để vượt qua rào cản tạo mầm. Cụ thể, họ đưa các xung siêu âm rất ngắn (≈ 1sec) vào dung dịch khi dung dịch đạt mức quá bão hòa thấp nhờ sự khuếch tán hơi dung môi đối kháng. Xung siêu âm được đưa vào ở mức quá bão hòa cao, tại đó hiện tượng xâm thực kích hoạt quá nhiều sự kiện tạo mầm và do đó dẫn đến sự phát triển của rất nhiều tinh thể nhỏ li ti. Một kết quả đầy hứa hẹn là các màng đơn tinh thể MAPbBr₃ đã phát triển trên bề mặt của nhiều loại đế khác nhau trong vòng vài giờ xử lý siêu âm theo chu kỳ.

Tổng hợp chấm lượng tử perovskite bằng siêu âm

Chen và cộng sự (2017) trình bày trong công trình nghiên cứu của họ một phương pháp hiệu quả để chế tạo các chấm lượng tử perovskite (QDs) dưới tác động chiếu xạ siêu âm. Xử lý siêu âm được sử dụng như một phương pháp cơ học nhằm đẩy nhanh quá trình kết tủa các chấm lượng tử perovskite. Quá trình kết tinh của các chấm lượng tử perovskite được tăng cường và kiểm soát bằng xử lý siêu âm, giúp điều chỉnh chính xác kích thước của các tinh thể nano. Kết quả phân tích cấu trúc, kích thước hạt và hình thái của các chấm lượng tử perovskite cho thấy quá trình kết tinh bằng siêu âm tạo ra kích thước hạt nhỏ hơn và phân bố kích thước hạt đồng đều hơn. Phương pháp tổng hợp bằng siêu âm (= hóa siêu âm) cũng cho phép tạo ra các chấm lượng tử perovskite có thành phần hóa học khác nhau. Những thành phần khác nhau này trong các tinh thể perovskite cho phép các đỉnh phát xạ và mép hấp phụ trở nên không thể có ở CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br và I), dẫn đến một gam màu cực kỳ rộng.

Phân tán bằng siêu âm

Xử lý siêu âm các huyền phù hạt nano và mực là một kỹ thuật đáng tin cậy để phân tán chúng đồng nhất trước khi phủ huyền phù nano lên các chất nền như lưới hoặc điện cực. (xem Belchi và cộng sự 2019; Pichler và cộng sự 2018)
Phân tán bằng siêu âm dễ dàng xử lý các hệ có nồng độ chất rắn cao (ví dụ: dạng nhão) và phân tán các hạt nano thành các hạt riêng lẻ để tạo ra một huyền phù đồng nhất. Điều này bảo đảm rằng trong công đoạn ứng dụng tiếp theo, khi chất nền được phủ, hiện tượng vón cục như hình thành các khối kết tụ sẽ không làm suy giảm hiệu năng của lớp phủ.

Phân tán bằng siêu âm tạo ra các huyền phù có kích thước hạt nano đồng đều: đường cong màu xanh lá – trước khi xử lý siêu âm / đường cong màu đỏ sau khi xử lý siêu âm

Thiết bị xử lý siêu âm để kết tủa perovskite

Hielscher Ultrasonics thiết kế và sản xuất các hệ thống siêu âm hiệu năng cao để tổng hợp các tinh thể perovskite chất lượng cao bằng phương pháp hóa siêu âm. Với vị thế dẫn đầu thị trường và kinh nghiệm lâu năm trong xử lý siêu âm, Hielscher Ultrasonics hỗ trợ khách hàng từ thử nghiệm tính khả thi ban đầu, tối ưu hóa quy trình cho đến lắp đặt hoàn chỉnh các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp phục vụ sản xuất quy mô lớn. Với danh mục sản phẩm đầy đủ, từ thiết bị siêu âm dùng trong phòng thí nghiệm và loại để bàn cho đến thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp, Hielscher có thể đề xuất thiết bị lý tưởng cho quy trình tinh thể nano của bạn.
Tất cả các thiết bị siêu âm Hielscher đều có thể được điều khiển chính xác và điều chỉnh từ biên độ rất thấp đến rất cao. Biên độ là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến tác động và khả năng phá hủy của các quá trình xử lý bằng siêu âm. Các thiết bị xử lý siêu âm của Hielscher Ultrasonics cung cấp một dải biên độ rất rộng, bao quát các ứng dụng từ rất nhẹ nhàng đến rất mạnh và có tính phá hủy cao. Việc lựa chọn mức biên độ, bộ khuếch đại biên độ và đầu dò siêu âm phù hợp cho phép thiết lập tác động siêu âm cần thiết cho quy trình cụ thể của bạn. Bộ phận chèn chuyên dụng MPC48 – MultiPhaseCavitator của Hielscher dành cho buồng phản ứng dòng chảy (xem hình bên trái) cho phép đưa pha thứ hai qua 48 ống kim dưới dạng dòng mảnh vào điểm nóng xâm thực, nơi sóng siêu âm hiệu năng cao phân tán hai pha thành một hỗn hợp đồng nhất. MultiPhaseCavitator là thiết bị lý tưởng để khởi tạo các điểm tạo mầm tinh thể và kiểm soát phản ứng kết tủa của các tinh thể nano perovskite.
Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher có thể tạo ra biên độ cực kỳ cao. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Đối với các biên độ cao hơn nữa, có các đầu dò siêu âm được tùy chỉnh theo yêu cầu. Độ bền của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong các môi trường khắc nghiệt.
Khách hàng của chúng tôi hài lòng với độ bền và độ tin cậy vượt trội của các hệ thống Hielscher Ultrasonic. Việc lắp đặt trong các lĩnh vực ứng dụng tải nặng, môi trường khắc nghiệt và vận hành 24/7 đảm bảo quá trình xử lý hiệu quả và tiết kiệm. Việc tăng cường quá trình bằng siêu âm giúp giảm thời gian xử lý và đạt được kết quả tốt hơn, tức là chất lượng cao hơn, hiệu suất thu hồi cao hơn và các sản phẩm đổi mới.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: