Исследование показывает, как пластиковые отходы можно преобразовать в электронные устройства

Университет Делавэра и Аргоннская национальная лаборатория разработали химический процесс, который преобразует пенополистирол в высококачественный проводящий полимер PEDOT: PSS. Исследователи показывают, как улучшенный пластиковый мусор может быть успешно интегрирован в функциональные электронные устройства, такие как гибридные солнечные элементы на основе кремния и органические электрохимические транзисторы.

Исследовательская группа под руководством автора-корреспондента Лоры Кайзер, доцента кафедры материаловедения и инженерии инженерного факультета Университета Уттар-Прадеша и совмещающей должность на кафедре химии и биохимии факультета искусств и наук, регулярно работает с PEDOT:PSS, полимером, обладающим как электронной, так и ионной проводимостью, и была заинтересована в поиске способов синтеза этого материала из пластиковых отходов.

После встречи с химиком из Аргонна Дэвидом Кафаном на мероприятии, организованном исследовательским офисом Университета Калифорнии, исследовательские группы Университета Калифорнии и Аргонна приступили к оценке гипотезы о том, что PEDOT:PSS может быть получен путем сульфирования полистирола — синтетического пластика, который используется во многих типах одноразовых контейнеров и упаковочных материалов.

Сульфирование — это распространенная химическая реакция, в которой атом водорода заменяется сульфоновой кислотой; этот процесс используется для создания различных продуктов, таких как красители, лекарства и ионообменные смолы. Эти реакции могут быть «жесткими» (с более высокой эффективностью преобразования, но требующими едких реагентов) или «мягкими» (менее эффективный метод, но использующий более мягкие материалы).

В этой статье исследователи хотели найти что-то среднее: «Реагент, который достаточно эффективен для получения действительно высоких степеней функционализации, но не портит полимерную цепь», — пояснил Кайзер.

Сначала исследователи обратились к методу, описанному в предыдущем исследовании сульфирования малых молекул, который показал многообещающие результаты с точки зрения эффективности и выхода, с использованием имидазолия хлорида 1,3-дисульфоновой кислоты ([Dsim]Cl).

Однако исследователи объяснили, что добавление функциональных групп к полимеру является более сложной задачей, чем для небольшой молекулы, поскольку не только нежелательные побочные продукты сложнее отделить, но и любые небольшие ошибки в полимерной цепи могут изменить ее общие свойства.

 По словам Келси Куцукос, аспиранта по материаловедению и второго автора данной статьи, для решения этой проблемы исследователям пришлось потратить много месяцев на пробы и ошибки, чтобы найти оптимальные условия, которые свели бы к минимуму побочные реакции.

«Мы проверили различные органические растворители, различные молярные соотношения сульфирующего агента и оценили различные температуры и времена, чтобы определить, какие условия являются наилучшими для достижения высоких степеней сульфирования», - сказал он.

Исследователи смогли найти условия реакции, которые привели к высокому сульфированию полимера, минимальным дефектам и высокой эффективности, и все это при использовании мягкого сульфирующего агента. И поскольку исследователи смогли использовать полистирол, в частности отходы пенополистирола, в качестве исходного материала, их метод также представляет собой эффективный способ преобразования пластиковых отходов в PEDOT:PSS.

Получив PEDOT:PSS, исследователи смогли сравнить поведение полимера, полученного из отходов, с имеющимся в продаже PEDOT:PSS.

«В этой статье мы рассмотрели два устройства — органический электронный транзистор и солнечный элемент», — сказал Чун-Юань Ло, докторант по химии и первый автор статьи. «Характеристики обоих типов проводящих полимеров были сопоставимы и показывают, что наш метод является очень экологичным подходом к преобразованию отходов полистирола в высококачественные электронные материалы».

Конкретные анализы, проведенные в UD, включали рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS) на установке анализа поверхности, анализ толщины пленки на установке нанофабрикации UD и оценку солнечных элементов в Институте преобразования энергии. Передовое спектроскопическое оборудование Argonne, такое как углеродный ЯМР, использовалось для детальной характеристики полимера.

Дополнительную поддержку оказали профессор материаловедения и инженерии Роберт Опила, который занимался анализом солнечных элементов, и Дэвид К. Мартин, профессор материаловедения и инженерии под руководством Карла В. и Ренаты Бур, занимался анализом характеристик электронных устройств.

Исследователи добавили, что одним из неожиданных открытий, связанных с химией, является возможность использования стехиометрических соотношений в ходе реакции.

«Обычно для сульфирования полистирола приходится использовать избыток действительно агрессивных реагентов. Здесь возможность использовать стехиометрическое соотношение означает, что мы можем минимизировать количество образующихся отходов», — сказал Куцукос.

Группа Kayser будет изучать это открытие в дальнейшем как способ «тонкой настройки» степени сульфирования. На данный момент они обнаружили, что, изменяя соотношение исходных материалов, они могут изменять степень сульфирования полимера.

Наряду с изучением того, как степень сульфирования влияет на электрические свойства PEDOT:PSS, группа хочет увидеть, как эту возможность тонкой настройки можно использовать в других областях применения, например, в топливных элементах или устройствах для фильтрации воды, где степень сульфирования существенно влияет на свойства материала.

«Для сообщества разработчиков электронных устройств главный вывод заключается в том, что электронные материалы можно производить из мусора, и они будут работать так же хорошо, как и те, которые можно купить в магазине», — сказал Кайзер.

«Для ученых, занимающихся традиционными полимерами, тот факт, что можно очень эффективно и точно контролировать степень сульфирования, будет представлять интерес для множества различных сообществ и приложений».

Исследователи также видят большой потенциал того, как это исследование может внести вклад в текущие глобальные усилия по обеспечению устойчивого развития, предоставив новый способ преобразования отходов в материалы с добавленной стоимостью.

«Многие ученые и исследователи усердно работают над проектами по вторичной переработке и вторичному использованию отходов как химическими, так и механическими способами, и наше исследование является еще одним примером того, как мы можем решить эту проблему», — сказал Ло.

Источник: https://www.scrapmonster.com/news/study-finds-how-plastic-waste-can-be-converted-to-electronic-devices/1/92516