Ny metode til fremstilling af nanopartikler kunne føre til bedre lys, linser, solceller

(Phys.org) —Sandia National Laboratories har fundet frem til en billig måde at syntetisere titaniumdioxid-nanopartikler og søger partnere, der kan demonstrere processen i industriel skala for alt fra solceller til lysdioder (LED'er).

Titandioxid (TiO ₂ ) nanopartikler viser stort løfte som fyldstoffer til at justere brydningsindekset for antireflekterende belægninger på skilte og optiske indkapslingsmidler til LED'er, solceller og andre optiske enheder. Optiske indkapslingsmidler er belægninger eller belægninger, normalt lavet af silikone, der beskytter en enhed.

Industrien har stort set undgået TiO ₂ nanopartikler, fordi de har været svære og dyre at lave, og nuværende metoder producerer partikler, der er for store.

Sandia blev interesseret i TiO ₂ til optiske indkapslingsmidler på grund af dets arbejde med LED-materialer til solid-state belysning.

Nuværende produktionsmetoder for TiO ₂ kræver ofte højtemperaturbehandling eller dyre overfladeaktive stoffer - molekyler, der binder sig til noget for at gøre det opløseligt i et andet materiale, ligesom opvaskemiddel gør med fedt.

Disse metoder producerer mindre end ideelle nanopartikler, der er meget dyre, kan variere meget i størrelse og vise betydelig partikelklumpning, kaldet agglomeration.

Sandias teknik, på den anden side, bruger let tilgængelige, billige materialer og resulterer i nanopartikler, der er små, nogenlunde ensartet i størrelse og klumper ikke.

"Vi ønskede noget, der var billigt og skalerbart, og det lavede partikler, der var meget små, " sagde forsker Todd Monson, som sammen med hovedefterforsker Dale Huber patenterede processen i midten af ​​2011 som "Højudbyttesyntese af brookit TiO ₂ nanopartikler."

Lavpristeknik producerer ensartede nanopartikler, der ikke klumper sig

Deres metode producerer nanopartikler på cirka 5 nanometer i diameter, cirka 100 gange mindre end bølgelængden af ​​synligt lys, så der er lidt lysspredning, sagde Monson.

"Det er fordelen ved nanopartikler - ikke kun nanopartikler, men små nanopartikler, " han sagde.

Spredning reducerer mængden af ​​lystransmission. Mindre spredning kan også hjælpe med at udvinde mere lys, i tilfælde af en LED, eller fange mere lys, i tilfælde af en solcelle.

TiO ₂ kan øge materialers brydningsindeks, såsom silikone i linser eller optiske indkapslingsmidler. Brydningsindeks er materialets evne til at bøje lys. Brilleglas, for eksempel, har et højt brydningsindeks.

Praktiske nanopartikler skal kunne håndtere forskellige overfladeaktive stoffer, så de er opløselige i en lang række opløsningsmidler. Forskellige applikationer kræver forskellige opløsningsmidler til forarbejdning.

Teknik kan bruges med forskellige opløsningsmidler

"Hvis nogen vil bruge TiO ₂ nanopartikler i en række forskellige polymerer og anvendelser, det er også praktisk at have dine partikler til at være suspensionsstabile i en lang række opløsningsmidler, " sagde Monson. "Nogle biologiske anvendelser kan kræve stabilitet i vandbaserede opløsningsmidler, så det kunne være meget nyttigt at have overfladeaktive stoffer til rådighed, som kan gøre partiklerne stabile i vand."

Forskerne kom frem til deres synteseteknik ved at samle deres baggrunde – Hubers ekspertise inden for nanopartikelsyntese og polymerkemi og Monsons viden om materialefysik. Arbejdet blev udført under et laboratoriestyret forsknings- og udviklingsprojekt Huber begyndte i 2005.

"De oprindelige projektmål var at undersøge den grundlæggende videnskab om nanopartikeldispersioner, men da denne syntese blev udviklet nær slutningen af ​​projektet, de kommercielle anvendelser var indlysende, " sagde Huber. Forskerne forfinede efterfølgende processen for at gøre partikler lettere at fremstille.

Eksisterende syntesemetoder for TiO ₂ partikler var for dyre og svære at opskalere produktionen. Ud over, kemikalieleverandører sender titaniumdioxid nanopartikler tørrede og uden overfladeaktive stoffer, så partikler klumper sig sammen og er umulige at bryde op. "Så har du ikke længere de ejendomme, du ønsker, " sagde Monson.

Forskerne prøvede forskellige typer alkohol som et billigt opløsningsmiddel for at se, om de kunne få en fælles titaniumkilde, titanium isopropoxid, at reagere med vand og alkohol.

Den største udfordring, Monson sagde, var ved at finde ud af, hvordan man kunne kontrollere reaktionen, da tilsætning af vand til titaniumisopropoxid oftest resulterer i en hurtig reaktion, der producerer store bidder af TiO ₂ , snarere end nanopartikler. "Så tricket var at kontrollere reaktionen ved at kontrollere tilsætningen af ​​vand til den reaktion, " han sagde.

Lærebøger sagde, at det ikke kunne lade sig gøre at lave nanopartikler, Sandia vedblev

Nogle lærebøger afviste titaniumisopropoxid-vand-alkohol-metoden som en måde at fremstille TiO på ₂ nanopartikler. Huber og Monson, imidlertid, fortsatte, indtil de opdagede, hvordan man tilsatte vand meget langsomt ved at putte det i en fortyndet opløsning af alkohol. "Da vi justerede syntesebetingelserne, vi var i stand til at syntetisere nanopartikler, " sagde Monson.

Det næste skridt er at demonstrere syntese i industriel skala, hvilket vil kræve en kommerciel partner. Monson, som præsenterede arbejdet på Sandias efterårs Science and Technology Showcase, sagde Sandia har modtaget henvendelser fra virksomheder, der er interesseret i at kommercialisere teknologien.

"Her på Sandia er vi ikke sat op til at producere partiklerne i kommerciel skala, " sagde han. "Vi vil have dem til at samle det op og køre med det og begynde at producere disse i en bred nok skala til at sælge til slutbrugeren."

Sandia ville syntetisere et lille antal partikler, arbejd derefter med en partnervirksomhed for at danne kompositter og evaluere dem for at se, om de kan bruges som bedre indkapslingsmidler til LED'er, fleksible højindeks-brydningskompositter til linser eller solenergikoncentratorer. "Jeg tror, ​​det kan opfylde en del behov, " sagde Monson.