Tổng hợp Perovskite bằng siêu âm
Ultrasonically gây ra và tăng cường phản ứng cung cấp một phương pháp tổng hợp dễ dàng, chính xác kiểm soát và linh hoạt để sản xuất các vật liệu kích hoạt ánh sáng, mà thường không thể chuẩn bị bằng các kỹ thuật thông thường.
Sự kết tinh siêu âm và kết tủa của tinh thể perovskite là một kỹ thuật hiệu quả cao và kinh tế, cho phép sản xuất tinh thể nano perovskite ở quy mô công nghiệp để sản xuất hàng loạt.
Tổng hợp siêu âm các tinh thể nano Perovskite
Perovskites halogen chì hữu cơ-vô cơ thể hiện các đặc tính quang điện tử đặc biệt như hấp thụ ánh sáng cao, tuổi thọ sóng mang rất dài, chiều dài khuếch tán sóng mang và tính di động của sóng mang cao, làm cho các hợp chất perovskite trở thành vật liệu chức năng vượt trội cho các ứng dụng hiệu suất cao trong các tấm pin mặt trời, đèn LED, bộ dò quang, laser, v.v.
Ultrasonication là một trong những phương pháp vật lý để tăng tốc các phản ứng hữu cơ khác nhau. Quá trình kết tinh bị ảnh hưởng và kiểm soát bởi việc xử lý siêu âm, dẫn đến các tính chất kích thước có thể kiểm soát được của các hạt nano perovskite đơn tinh thể.
Hình ảnh TEM cho CH3Nh3PbBr3 QD (a) có và (b) mà không cần điều trị siêu âm.
UIP2000hdT với lò phản ứng tế bào dòng chảy có áp suất
Nghiên cứu điển hình về tổng hợp Perovskite siêu âm
Nghiên cứu đã tiến hành các loại đa dạng của sự phát triển tinh thể perovskite hỗ trợ siêu âm. Nói chung, tinh thể perovskite được điều chế bằng phương pháp tăng trưởng chất lỏng. Để kết tủa các tinh thể perovskite, độ hòa tan của các mẫu mục tiêu được kiểm soát chậm và giảm trong dung dịch tiền chất. Kết tủa siêu âm của tinh thể nano perovskite chủ yếu dựa trên việc làm nguội chất chống dung môi.
Kết tinh siêu âm của tinh thể nano Perovskite
Jang et al. (2016) báo cáo tổng hợp siêu âm hỗ trợ thành công các tinh thể nano perovskite halogen chì. Sử dụng siêu âm, APbX3 tinh thể nano perovskite với một loạt các chế phẩm, trong đó A = CH3Nh3, Cs hoặc HN = CHNH3 (formamidinium), và X = Cl, Br, hoặc I, đã kết tủa. Ultrasonication tăng tốc quá trình hòa tan của tiền chất (AX và PbX2) trong toluene, và tốc độ hòa tan xác định tốc độ tăng trưởng của các tinh thể nano. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã chế tạo các bộ dò quang có độ nhạy cao bằng cách quay đồng nhất các tinh thể nano có kích thước đồng nhất trên các chất nền oxit silicon diện tích lớn.
Phân bố kích thước hạt CH3NH3PbBr3 (a) có và (b) mà không cần xử lý siêu âm.
Chen và cộng sự 2017
Kết tinh siêu âm không đối xứng của Perovskite
Peng et al. (2016) đã phát triển phương pháp tăng trưởng mới dựa trên kết tinh bất đối xứng kích hoạt xâm thực (CTAC), thúc đẩy quá trình tạo mầm không đồng nhất bằng cách cung cấp đủ năng lượng để vượt qua hàng rào tạo mầm. Tóm lại, họ đã giới thiệu một xung siêu âm rất ngắn (≈ 1 giây) vào dung dịch khi nó đạt đến mức siêu bão hòa thấp với khuếch tán hơi chống dung môi. Xung siêu âm được giới thiệu ở mức siêu bão hòa cao, nơi cavitation gây ra các sự kiện tạo mầm quá mức và do đó sự phát triển của rất nhiều tinh thể nhỏ. Đầy hứa hẹn, MAPbBr3 Phim đơn tinh thể phát triển trên bề mặt của các chất nền khác nhau trong vòng vài giờ sau khi xử lý siêu âm theo chu kỳ.
Tổng hợp siêu âm các chấm lượng tử Perovskite
Chen et al. (2017) trình bày trong công trình nghiên cứu của họ một phương pháp hiệu quả để chuẩn bị các chấm lượng tử perovskite (QD) dưới chiếu xạ siêu âm. Ultrasonication được sử dụng như một phương pháp cơ học để tăng tốc độ kết tủa của các chấm lượng tử perovskite. Quá trình kết tinh của các chấm lượng tử perovskite được tăng cường và kiểm soát bằng cách xử lý siêu âm, dẫn đến kích thước phù hợp chính xác của các tinh thể nano. Việc phân tích cấu trúc, kích thước hạt và hình thái của các chấm lượng tử perovskite cho thấy sự kết tinh siêu âm cho kích thước hạt nhỏ hơn và phân bố kích thước hạt đồng đều hơn. Sử dụng tổng hợp siêu âm (= sonochemical), cũng có thể tạo ra các chấm lượng tử perovskite với các thành phần hóa học khác nhau. Những thành phần khác nhau trong tinh thể perovskite cho phép không thể phát xạ đỉnh và cạnh hấp phụ của CH3Nh3Pbx3 (X = Cl, Br và I), dẫn đến gam màu cực rộng.
Siêu âm phân tán
Ultrasonication của huyền phù hạt nano và mực là một kỹ thuật đáng tin cậy để phân tán chúng đồng nhất trước khi áp dụng huyền phù nano trên các chất nền như lưới hoặc điện cực. (xem Belchi et al. 2019; Pichler và cộng sự 2018)
Phân tán siêu âm dễ dàng xử lý nồng độ rắn cao (ví dụ như bột nhão) và phân phối các hạt nano thành các hạt phân tán đơn để một huyền phù đồng nhất được sản xuất. Điều này đảm bảo rằng trong ứng dụng tiếp theo, khi chất nền được phủ, không có vón cục như chất kết tụ làm suy yếu hiệu suất của lớp phủ.
Phân tán siêu âm chuẩn bị hệ thống treo kích thước nano đồng nhất: đường cong màu xanh lá cây – trước sonication / đường cong đỏ sau khi sonication
Bộ xử lý siêu âm cho kết tủa Perovskite
Hielscher Ultrasonics thiết kế và sản xuất hệ thống siêu âm hiệu suất cao để tổng hợp sonochemical của tinh thể perovskite chất lượng cao. Là công ty dẫn đầu thị trường và có kinh nghiệm lâu năm trong chế biến siêu âm, Hielscher Ultrasonics hỗ trợ khách hàng của mình từ thử nghiệm khả thi đầu tiên để tối ưu hóa quá trình đến cài đặt cuối cùng của bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp cho sản xuất quy mô lớn. Cung cấp danh mục đầu tư đầy đủ từ phòng thí nghiệm và băng ghế dự bị ultrasonicators lên đến bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp, Hielscher có thể giới thiệu cho bạn thiết bị lý tưởng cho quá trình tinh thể nano của bạn.
Tất cả các ultrasonicators Hielscher được kiểm soát chính xác và có thể được 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 tính phá hủy của quá trình sonication. Hielscher Siêu âm’ Bộ vi xử lý siêu âm cung cấp một phổ rất rộng của biên độ bao gồm phạm vi của các ứng dụng rất nhẹ và mềm đến rất dữ dội và phá hoại. Chọn đúng cài đặt biên độ, tăng áp và sonotrode cho phép thiết lập tác động siêu âm cần thiết cho quy trình cụ thể của bạn. Lò phản ứng tế bào dòng chảy đặc biệt của Hielscher chèn MPC48 – MultiPhaseCavitator (xem ảnh trái) – Cho phép tiêm pha thứ hai qua 48 ống thông dưới dạng một chủng mỏng vào điểm nóng xâm thực, nơi sóng siêu âm hiệu suất cao phân tán hai pha thành hỗn hợp đồng nhất. MultiPhaseCavitator là lý tưởng để bắt đầu các điểm gieo hạt tinh thể và kiểm soát phản ứng kết tủa của các tinh thể nano perovskite.
Bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp Hielscher có thể cung cấp biên độ cực kỳ cao. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng chạy liên tục trong hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Sự mạnh mẽ của thiết bị siêu âm của Hielscher cho phép hoạt động 24/7 ở nhiệm vụ nặng nề và trong môi trường đòi hỏi khắt khe.
Khách hàng của chúng tôi hài lòng bởi sự mạnh mẽ và độ tin cậy vượt trội của hệ thống siêu âm Hielscher. Việc lắp đặt trong các lĩnh vực ứng dụng nặng, môi trường đòi hỏi khắt khe và hoạt động 24/7 đảm bảo xử lý hiệu quả và tiết kiệm. Tăng cường quá trình siêu âm làm giảm thời gian xử lý và đạt được kết quả tốt hơn, tức là chất lượng cao hơn, năng suất cao hơn, sản phẩm sáng tạo.
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:
| Khối lượng hàng loạt | Tốc độ dòng chảy | Thiết bị được đề xuất |
|---|---|---|
| 0.5 đến 1,5mL | N.A. | LọTweeter |
| 1 đến 500mL | 10 đến 200ml / phút | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400ml / phút | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 đến 20L | 0.2 đến 4L / phút | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L / phút | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 đến 100L / phút | UIP16000 |
| N.A. | Lớn | Cụm UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy hỏi chúng tôi!
Đồng nhất siêu âm công suất cao từ phòng thí nghiệm đến phi công và Quy mô công nghiệp.
Văn học/Tài liệu tham khảo
- 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.
Sự thật đáng biết
Perovskite
Perovskite là một thuật ngữ mô tả khoáng chất Perovskite (còn được gọi là canxi titan oxit hoặc canxi titanat, công thức hóa học CaTiO3) cũng như một cấu trúc vật liệu cụ thể. Theo cùng tên, khoáng chất Perovskite có cấu trúc perovskite.
Các hợp chất perovskite có thể xảy ra trong cấu trúc khối, tứ giác hoặc trực thoi và có công thức hóa học ABX3. A và B là cation, trong khi X đại diện cho một anion, liên kết với cả hai. Trong các hợp chất perovskite, cation A lớn hơn đáng kể so với cation B. Các khoáng vật khác có cấu trúc perovskite là Loparite và Bridgmanite.
Perovskites có cấu trúc tinh thể độc đáo và trong cấu trúc này, các nguyên tố hóa học khác nhau có thể được kết hợp. Do cấu trúc tinh thể đặc biệt, các phân tử perovskite có thể thể hiện các tính chất có giá trị khác nhau, chẳng hạn như tính siêu dẫn, điện trở từ rất cao và / hoặc sắt điện, làm cho các hợp chất đó rất thú vị cho các ứng dụng công nghiệp. Hơn nữa, một số lượng lớn các yếu tố khác nhau có thể được kết hợp với nhau để tạo thành các cấu trúc perovskite, giúp kết hợp, sửa đổi và tăng cường các đặc tính vật liệu nhất định. Các nhà nghiên cứu, nhà khoa học và nhà phát triển quy trình sử dụng các tùy chọn đó để thiết kế có chọn lọc và tối ưu hóa các đặc tính vật lý, quang học và điện perovskite.
Tính chất quang điện tử của chúng làm cho perovskites lai trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng pin mặt trời và pin mặt trời perovskite là một công nghệ đầy hứa hẹn, có thể giúp sản xuất một lượng lớn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường.
Các thông số quang điện tử quan trọng của perovskite đơn tinh thể được báo cáo trong tài liệu:
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 lỗ di động (SCLC) 105 Tính di động lỗ (Hội trường) 24 ± 6.8 SCLC điện tử
Quang phổ trở kháng 82 ± 5 μs TPV 95 ± 8 μs (IS)9 × 109 trang 175 ± 25 μm3.6 × 1010 Đối với hố 34.5 × 1010 cho electronMAPbI3Hội trường 1.53 eV 784 nm34
8.8 × 1011 p
1.8 × 109 cho hố 4.8 × 1010 cho electronMAPbBr3Hội trường 1.53 eV 784 nm34
8.8 × 1011 p
1.8 × 109 cho hố 4.8 × 1010 cho electronMAPbBr3Hội trường 2.24 eV 537 nm4.36
3,87 × 1012 p
2.6 × 1010 Đối với hố 1.1 × 1011 cho electronMAPbCl3Hội trường 2.24 eV 537 nm4.36
3,87 × 1012 p
2.6 × 1010 Đối với hố 1.1 × 1011 cho electronMAPbCl3Hội trường 2.97 eV 402 nm179
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 ± Di động 5 lỗ SCLC1.8 × 10-8
2.8 × 109
1,34 × 1010
| Vật liệu | Khoảng cách dải hoặc khởi phát hấp thụ | Di chuyển [cm2 V-1 s-1] | Độ dẫn điện [Ω-1 Cm-1] | Tuổi thọ và phương pháp vận chuyển | Nồng độ và loại sóng mang [cm-3] (n hoặc p) | Chiều dài khuếch tán | Mật độ bẫy [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2.21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (Hội trường) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 đến 5 × 1010 p | 3–17 μm | 5.8 × 109 |