Делавэрским институтом и Аргоннской национальной лабораторией разработана химическая реакция, способная преобразовывать пенопласт в ценный проводящий полимер под названием PEDOT:PSS. В новой работе, опубликованной в журнале JACS Au, продемонстрировано, как переработанные пластиковые отходы можно с успехом встраивать в функциональные электронные устройства, включая гибридные солнечные батареи на основе кремния и органические электрохимические транзисторы.
Группа исследователей во главе с ответственным автором Лори Кайзер, адъюнкт-профессором факультета материаловедения и проектирования при Колледже проектирования Делавэрского университета, также работающей на факультете химии и биохимии Колледжа наук и искусств, регулярно работает над с PEDOT:PSS, полимером, обладающим как электронной, так и ионной проводимостью, и заинтересовалась поиском способа синтезировать этот материал из пластиковых отходов.
После общения с химиком Аргоннской лаборатории Дэвидом Кэпханом в ходе мероприятия, проводимого научно-исследовательским бюро ДУ, исследовательские группы в ДУ и Аргонне начали с оценки гипотезы о том, что можно получать PEDOT:PSS путём сульфирования полистирола, синтетического пластика, используемого в разнообразных видах одноразовых контейнеров и упаковочных материалов .
Сульфирование — распространённая химическая реакция, в которой атом водорода заменяется на сульфокислоту; этот процесс используется для создания разнообразных продуктов, таких как пигменты, лекарственные препараты и ионообменные смолы. Эти реакции могут быть как «жёсткими» (с высоким КПД, но в них необходимо применение щелочных реагентов) так и «мягкими» (менее продуктивный метод, но в нём используются более умеренные материалы).
В данной работе исследователи хотели найти нечто среднее: «Реагент, достаточно производительный, чтобы получить действительно высокую степень функционализации, но при этом не портящий полимерную цепь», — объясняет Кайзер.
Сначала исследователи обратились к методу, описанному в предыдущем исследовании сульфирования небольших молекул, где были показаны многообещающие результаты в отношении КПД и выхода продукта, с использованием 1,3-хлорида дисульфоимидазолия ([Dsim]Cl). Но добавление функциональных групп к полимеру намного сложнее, чем к небольшой молекуле, объяснили учёные, не только потому, что сложнее сепарировать нежелательные побочные продукты, но и потому, что любые незначительные погрешности в полимерной цепи могут изменить её свойства в целом.
«Чтобы решить эту проблему, исследователи многие месяцы методом проб и ошибок пытались найти оптимальные условия, сводившие к минимуму побочные реакции», — говорит Келси Котсукос, докторант-материаловед и второй автор этой работы.
«Мы рассмотрели различные органические растворители, различные молярные доли сульфирующего агента, и оценили различные температуры и время, чтобы установить наилучшие условия для получения высокой степени сульфирования», — говорит он.
Учёные смогли найти условия реакции, которые дали высокое сульфирование полимера, минимум дефектов и высокий КПД, и всё это с использованием умеренного сульфирующего агента. И поскольку в качестве исходного материала исследователи использовали полистирол, а конкретнее — пенопласт (торговая марка «Styrofoam» — прим. перев.), этот метод представляет собой эффективный способ переработки пластиковых отходов в PEDOT:PSS.
Получив PEDOT:PSS, они смогли сравнить полученный из мусора полимер с фирменным PEDOT:PSS.
«В этой работе мы рассмотрели два устройства — органический электронный транзистор и солнечную батарею», — говорит Чунь-Юань Ло, докторант-химик и первый автор статьи. — Показатели обоих типов проводящих полимеров были сопоставимы, и это демонстрирует, что наш метод — очень экологичный подход к преобразованию полистироловых отходов в ценные материалы для электроники».
Специфические виды анализов, проведённых в ДУ, включали в себя рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию в центре анализа поверхностей, анализ толщины плёнки в центре нанопроизводства ДУ и оценку солнечных батарей в Институте преобразования энергии. Высокотехнологичное спектроскопическое оборудование Аргоннской лаборатории, такое как углеродный ядерно-магнитный резонанс, использовалось для детализированной характеристики полимеров. Дополнительную поддержку обеспечили профессор материаловедения и проектирования Роберт Опила при анализе солнечных батарей и Дэвид С. Мартин, председательствующий профессор кафедры материаловедения и проектирования при анализе производительности электронных устройств.
«Одна из неожиданных находок, связанных с химией, — добавляют учёные, — это возможность использовать стехиометрические соотношения в ходе реакции».
«Обычно для сульфирования полистирола нужно использовать избыток по-настоящему жёстких реагентов. Здесь же, возможность использовать стехиометрическое соотношение означает, что мы можем свести к минимуму объём производимых отбросов», — говорит Котсукос.
Данная находка будет в дальнейшем исследована группой Кайзер в качестве средства «тонкой настройки» степени сульфирования. Пока что они обнаружили, что, изменяя соотношение исходных материалов, они могут менять степень сульфирования полимера. Помимо изучения того, каким образом эта степень сульфирования влияет на электрические свойства PEDOT:PSS, группе интересно узнать, как такая возможность тонкой настройки может быть использована в других применениях, таких как топливные элементы или устройства для фильтрации воды, где степень сульфирования очень сильно влияет на свойства материала.
«Для электронного сообщества основной вывод состоит в том, что можно создавать электронные материалы из мусора, и производительность у них будет точно такой же, как у фирменной продукции», — говорит Кайзер. — Для более консервативных учёных-полимерщиков тот факт, что вы можете очень эффективно и точно контролировать степень сульфирования будет интересен в отношении множества сообществ и применений».
Исследователи также видят большой потенциал в том, как это исследование может поспособствовать постоянным природоохранным усилиям мирового сообщества, обеспечив новый способ переработки отходов для создания материалов с добавленной стоимостью.
«Многие учёные и исследователи упорно работают над повторным использованием ресурсов, используя либо химические, либо механические средства, и наше исследование даёт ещё один пример того, как мы можем бороться с этой проблемой», — говорит Ло.
Автор статьи — Эрика К. Брокмайер.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Делавэрским университетом.
Вам также может быть интересно: