В новой работе, опубликованной в журнале JACS Au, показано, как пластиковые отходы можно использовать в электронных устройствах, таких как гибридные солнечные элементы и органические электрохимические транзисторы.

Исследовательская группа Лора Кайзера работает с полимером PEDOT:PSS, который проводит ток. Они искали способы синтезировать этот материал из пластиковых отходов.

После общения с химиком из Аргонны Дэвидом Кафаном, исследовательские группы UD и Аргонны начали изучать гипотезу о получении PEDOT:PSS путём сульфонирования полистирола.

Сульфонирование — это химическая реакция, в которой атом водорода заменяется сульфокислотой. Этот процесс используется для создания различных продуктов, таких как красители, лекарства и ионообменные смолы. Реакция может быть либо «жёсткой» (с более высокой эффективностью преобразования, но требующей едких реагентов), либо „мягкой“ (менее эффективный метод, но с использованием более мягких материалов).

Исследователи хотели найти эффективный реагент, который не портил бы полимерную цепь.

Сначала они обратились к методу сульфонирования малых молекул, показавшему многообещающие результаты с точки зрения эффективности и выхода. Для этого использовался 1,3-дисульфокислотный имидазолиум хлорид ([Dsim]Cl).

Однако добавление функциональных групп к полимеру сложнее, чем к маленькой молекуле. Это связано с тем, что нежелательные побочные продукты труднее отделить, а любые небольшие ошибки в полимерной цепи могут изменить её общие свойства.

Келси Кутсукос, докторант по материаловедению и второй автор статьи, рассказал, что для решения проблемы исследователи долго экспериментировали, чтобы определить оптимальные условия, которые минимизируют побочные реакции.

Они проверили разные растворители, соотношения веществ, температуры и время, чтобы найти лучшие условия для эффективного сульфонирования.

Исследователи нашли условия реакции, которые позволяют эффективно сульфонировать полимер с минимальным количеством дефектов. При этом используется мягкий сульфонирующий агент.

В качестве исходного материала исследователи использовали полистирол, в частности, отходы пенополистирола. Это эффективный способ превращения пластиковых отходов в PEDOT:PSS.

Полученный полимер сравнили с коммерчески доступным PEDOT:PSS.

Чун-Юань Ло, докторант химического факультета и первый автор статьи, говорит:

Мы рассмотрели органический электронный транзистор и солнечный элемент. Оба типа проводящих полимеров имеют сопоставимую производительность, что показывает экологичность нашего метода преобразования отходов полистирола в ценные электронные материалы.

В UD были проведены исследования с использованием рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) в центре анализа поверхности, измерена толщина плёнок в центре нанофабрикатов UD и оценены солнечные элементы в Институте преобразования энергии.

Для детальной характеристики полимеров использовалось передовое спектроскопическое оборудование Аргонна. Профессор материаловедения и инженерии Роберт Опила оказал дополнительную поддержку в анализе солнечных элементов, а профессор материаловедения и инженерии Дэвид К. Мартин — в анализе характеристик электронных устройств.

Исследователи неожиданно обнаружили возможность использовать стехиометрические соотношения в ходе реакции.

Обычно полистирол сульфируют избытком очень агрессивных реагентов, а их остатки становятся отходами. По словам Кутсукоса, стехиометрическое соотношение позволяет минимизировать количество таких отходов.

Группа Кайзера продолжит изучать это открытие как способ «тонкой настройки» степени сульфонации. Они обнаружили, что, изменяя соотношение исходных материалов, можно менять степень сульфонирования полимера.

Команда также хочет исследовать влияние этой степени на электрические свойства PEDOT:PSS и возможность её применения в других областях, таких как топливные элементы или устройства фильтрации воды.

Специалисты по электронным устройствам смогут делать рабочие электронные материалы из мусора.

Учёные, изучающие полимеры, заинтересуются возможностью точного контроля степени сульфонирования для различных сообществ и приложений.

Исследователи видят большой потенциал этого исследования для устойчивого развития. Мы можем преобразовывать отходы в материалы с добавленной стоимостью.

Многие учёные и исследователи активно перерабатывают и утилизируют отходы химическим или механическим способом, и наше исследование — ещё один способ решить эту проблему, — заключает Ло.