تبدیل زباله های پلاستیکی به وسایل الکترونیکی

دانشگاه دلاور و آزمایشگاه ملی آرگون به یک واکنش شیمیایی دست یافته اند که می تواند استایروفوم را به یک پلیمر رسانا با ارزش بالا به نام PEDOT:PSS تبدیل کند. در مقاله جدیدی که در JACS Au منتشر شد، این مطالعه نشان می‌دهد که چگونه زباله‌های پلاستیکی ارتقا یافته را می‌توان با موفقیت در دستگاه‌های الکترونیکی کاربردی، از جمله سلول‌های خورشیدی هیبریدی مبتنی بر سیلیکون و ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی گنجاند.

گروه تحقیقاتی نویسنده متناظر Laure Kayser، استادیار گروه علوم و مهندسی مواد در کالج مهندسی UD با یک انتصاب مشترک در گروه شیمی و بیوشیمی در دانشکده هنر و علوم، به طور منظم با PEDOT:PSS کار می کند، پلیمری که دارای رسانایی الکترونیکی و یونی است و علاقه مند به یافتن راه هایی برای سنتز این ماده از زباله های پلاستیکی بود.

پس از برقراری ارتباط با دیوید کافان شیمیدان Argonne در طی رویدادی که توسط دفتر تحقیقات UD برگزار شد، تیم های تحقیقاتی UD و Argonne شروع به ارزیابی این فرضیه کردند که PEDOT:PSS می تواند با سولفونه کردن پلی استایرن ساخته شود، یک پلاستیک مصنوعی که در بسیاری از انواع ظروف یکبار مصرف و بسته بندی ها یافت می شود. مواد.

سولفوناسیون یک واکنش شیمیایی رایج است که در آن اتم هیدروژن با اسید سولفونیک جایگزین می شود. این فرآیند برای تولید انواع محصولات مانند رنگ، دارو و رزین های تبادل یونی استفاده می شود. این واکنش‌ها می‌توانند «سخت» (با راندمان تبدیل بالاتر اما به معرف‌های سوزاننده) یا «نرم» (روشی کمتر کارآمد اما با استفاده از مواد ملایم‌تر) باشند.

در این مقاله، محققان می‌خواستند چیزی در وسط بیابند: “معرفی که به اندازه کافی کارآمد باشد تا درجات بالایی از عملکرد را به دست آورد، اما زنجیره پلیمری شما را به هم نریزد.”

محققان ابتدا به روشی روی آوردند که در مطالعه قبلی برای سولفون کردن مولکول‌های کوچک توضیح داده شد، روشی که نتایج امیدوارکننده‌ای را از نظر کارایی و بازده، با استفاده از کلرید ایمیدازولیوم 1،3-دی سولفونیک اسید ([Dsim]Cl) نشان داد. اما محققان توضیح دادند که افزودن گروه‌های عاملی به پلیمر نسبت به یک مولکول کوچک چالش‌برانگیزتر است، زیرا نه تنها جداسازی محصولات جانبی ناخواسته سخت‌تر است، بلکه هر گونه خطای کوچک در زنجیره پلیمر می‌تواند خواص کلی آن را تغییر دهد.

Kelsey Koutsoukos، کاندیدای دکترای علوم مواد و نویسنده دوم این مقاله، گفت: برای مقابله با این چالش، محققان چندین ماه آزمایش و خطا را برای یافتن شرایط بهینه ای که واکنش های جانبی را به حداقل می رساند، آغاز کردند.

او گفت: «ما حلال‌های آلی مختلف، نسبت‌های مولی مختلف عامل سولفون‌کننده را غربال کردیم و دماها و زمان‌های مختلف را ارزیابی کردیم تا ببینیم کدام شرایط برای دستیابی به درجات بالای سولفوناسیون بهترین است.

محققان توانستند شرایط واکنشی را بیابند که منجر به سولفوناسیون پلیمری بالا، حداقل نقص و راندمان بالا می‌شود، همگی در حالی که از یک عامل سولفون‌کننده ملایم استفاده می‌کردند. و از آنجایی که محققان توانستند از پلی استایرن، به ویژه ضایعات پلی استایرن، به عنوان ماده اولیه استفاده کنند، روش آنها همچنین نشان دهنده روشی کارآمد برای تبدیل زباله های پلاستیکی به PEDOT:PSS است.

هنگامی که محققان PEDOT:PSS را در دست داشتند، توانستند عملکرد پلیمر مشتق شده از زباله خود را در مقایسه با PEDOT:PSS تجاری موجود مقایسه کنند.

چون یوان لو، کاندیدای دکترای شیمی و نویسنده اول مقاله، می‌گوید: «در این مقاله، ما به دو دستگاه نگاه کردیم — یک ترانزیستور الکترونیکی آلی و یک سلول خورشیدی. “عملکرد هر دو نوع پلیمر رسانا قابل مقایسه بود و نشان می دهد که روش ما یک رویکرد بسیار سازگار با محیط زیست برای تبدیل زباله های پلی استایرن به مواد الکترونیکی با ارزش بالا است.”

آنالیزهای خاصی که در UD انجام شد شامل طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) در تأسیسات آنالیز سطحی، تجزیه و تحلیل ضخامت لایه در تأسیسات نانوساخت UD و ارزیابی سلول‌های خورشیدی در مؤسسه تبدیل انرژی بود. تجهیزات طیف‌سنجی پیشرفته Argonne، مانند کربن NMR، برای توصیف دقیق پلیمر مورد استفاده قرار گرفت. پشتیبانی اضافی توسط پروفسور علوم و مهندسی مواد رابرت اوپیلا برای تجزیه و تحلیل سلول های خورشیدی و توسط دیوید سی. مارتین، کارل دبلیو و پروفسور مهندسی و علوم مواد به ریاست رنته بوئر، برای تجزیه و تحلیل عملکرد دستگاه الکترونیکی ارائه شد.

محققان افزودند یکی از یافته‌های غیرمنتظره مرتبط با شیمی، توانایی استفاده از نسبت‌های استوکیومتری در طول واکنش است.

کوتسوکوس گفت: “معمولاً، برای سولفوناسیون پلی استایرن، شما باید از معرف های بسیار خشن استفاده کنید. در اینجا، امکان استفاده از نسبت استوکیومتری به این معنی است که می توانیم میزان ضایعات تولید شده را به حداقل برسانیم.”

این یافته چیزی است که گروه Kayser به عنوان راهی برای “تنظیم دقیق” درجه سولفوناسیون به دنبال آن خواهد بود. آنها تاکنون دریافته اند که با تغییر نسبت مواد اولیه، می توانند درجه سولفوناسیون روی پلیمر را تغییر دهند. همراه با مطالعه چگونگی تأثیر این درجه سولفوناسیون بر خواص الکتریکی PEDOT:PSS، تیم مایل است ببیند که چگونه می‌توان از این قابلیت تنظیم دقیق برای سایر کاربردها مانند سلول‌های سوختی یا دستگاه‌های تصفیه آب استفاده کرد که در آن درجه سولفوناسیون وجود دارد. تا حد زیادی بر خواص یک ماده تاثیر می گذارد.

کایسر گفت: «برای جامعه دستگاه‌های الکترونیکی، نکته کلیدی این است که می‌توانید مواد الکترونیکی را از زباله بسازید، و آنها به همان خوبی عملکرد تجاری دارند. برای دانشمندان سنتی‌تر پلیمر، این واقعیت که شما می‌توانید به‌طور کارآمد و دقیق درجه سولفوناسیون را کنترل کنید، برای بسیاری از جوامع مختلف و برنامه‌های کاربردی جالب توجه است.

محققان همچنین پتانسیل زیادی را برای اینکه چگونه این تحقیق می تواند با ارائه روشی جدید برای تبدیل ضایعات به مواد با ارزش افزوده به تلاش های پایدار جهانی در حال انجام کمک کند، می بینند.

لو گفت: «بسیاری از دانشمندان و محققین به سختی روی تلاش‌های بازیافت و بازیافت، چه از طریق روش‌های شیمیایی یا مکانیکی، کار می‌کنند، و مطالعه ما نمونه دیگری از چگونگی مقابله با این چالش را ارائه می‌دهد.