Отходы пенополистирола теперь можно перерабатывать в полимеры для электроники

Университет Делавэра и Аргоннская национальная лаборатория разработали химическую реакцию, которая может преобразовать пенополистирол в высококачественный проводящий полимер, известный как PEDOT:PSS. В новой статье, опубликованной в JACS Au, исследование демонстрирует, как улучшенные пластиковые отходы могут быть успешно включены в функциональные электронные устройства, включая 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 во время мероприятия, организованного исследовательским офисом UD, исследовательские группы UD и Аргонна начали оценивать гипотезу о том, что PEDOT:PSS можно получить 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 для сульфирования малых молекул, который показал многообещающие результаты с точки зрения эффективности и выхода, с использованием имидазолия хлорида 1,3-дисульфоновой кислоты ([Dsim]Cl). Однако добавление функциональных групп к полимеру является более сложной задачей, чем для малых молекул, объяснили исследователи, поскольку не только нежелательные побочные продукты сложнее отделить, 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 объекте анализа поверхности, анализ толщины пленки на объекте нанофабрикации UD и оценку солнечных элементов в Институте преобразования энергии. Передовое спектроскопическое оборудование Argonne, такое как углеродный ЯМР, использовалось для детальной характеристики полимеров. Дополнительную поддержку оказал профессор материаловедения и инженерии Роберт Опила для анализа солнечных элементов и Дэвид К. Мартин, профессор материаловедения и инженерии под председательством Карла В. и Ренаты Бёр, для анализа производительности 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 эта степень сульфирования влияет на электрические свойства PEDOT:PSS, группа заинтересована в том, чтобы увидеть, как эта возможность тонкой настройки может быть использована для других приложений, таких как топливные элементы или устройства для фильтрации воды, где степень сульфирования сильно влияет на свойства материала.

«Для сообщества электронных устройств ключевым выводом является то, что можно производить электронные материалы из мусора, и они работают так же хорошо, как те, которые вы купите в коммерческих целях», — сказал Кайзер. «Для более традиционных ученых-полимерщиков тот факт, что можно очень эффективно и точно контролировать степень сульфирования, будет представлять интерес для многих 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.sciencedaily.com/releases/2024/07/240719180317.htm