La Universidad de Delaware y el Laboratorio Nacional Argonne han ideado una reacción química que puede convertir la espuma de poliestireno en un polímero de alto valor llamado PEDOT:PSS. En un nuevo artículo publicado en JACS Au, El estudio demuestra cómo los residuos plásticos mejorados se pueden incorporar con éxito en dispositivos electrónicos activos, incluidas células solares híbridas basadas en silicio y transistores electroquímicos orgánicos.
El grupo de investigación de la autora correspondiente Laure Kayser, profesora asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería de la UD, con un nombramiento conjunto en el Departamento de Química y Bioquímica de la Facultad de Artes y Ciencias, trabaja regularmente con PEDOT:PSS . Es. Un polímero con conductividad tanto electrónica como iónica, y estaba interesado en encontrar formas de sintetizar este material a partir de desechos plásticos.
Después de conectarse con el químico de Argonne, David Kaffin, durante un evento organizado por la Oficina de Investigación de la UD, los equipos de investigación de la UD y de Argonne comenzaron a examinar la hipótesis de que PEDOT:PSS podría fabricarse sulfonando poliestireno, un plástico sintético que se encuentra en muchos tipos de contenedores desechables. y embalaje. Contenido.
La sulfonación es una reacción química común en la que un átomo de hidrógeno se reemplaza por un ácido sulfónico. Este proceso se utiliza para fabricar una variedad de productos como tintes, medicamentos y resinas de intercambio iónico. Estas reacciones pueden ser “duras” (con alta eficiencia de conversión pero que requieren reactivos cáusticos) o “blandas” (un método menos eficiente pero que utiliza materiales más livianos).
En este artículo, los investigadores querían encontrar algo intermedio: “un reactivo que sea lo suficientemente eficiente como para lograr grados realmente altos de funcionalización pero que no degrade la cadena polimérica”, explicó Kaiser.
Los investigadores recurrieron primero a un método descrito en un estudio anterior para sulfonar moléculas pequeñas, utilizando cloruro de imidazolio del ácido 1,3-disulfónico ((Dsim)Cl) que en términos de eficiencia y rendimiento mostró resultados prometedores. Pero añadir grupos funcionales a un polímero es más difícil que a una molécula pequeña, explicaron los investigadores, porque no sólo son difíciles de aislar los subproductos no deseados, sino que cualquier pequeño error en la cadena del polímero puede cambiar sus propiedades generales.
Para abordar este desafío, los investigadores se embarcaron en meses de prueba y error para encontrar las condiciones óptimas que minimicen las reacciones secundarias, dice Kelsey Koutsoukos, candidata a doctorado en ciencias de los materiales y autora de este artículo.
“Probamos diferentes solventes orgánicos, diferentes proporciones molares de agente sulfonante y diferentes temperaturas y tiempos para determinar qué condiciones eran mejores para lograr el mayor grado de sulfonación”, dijo.
Los investigadores pudieron encontrar condiciones de reacción utilizando un agente sulfonante suave que resultó en una alta sulfonación del polímero, defectos mínimos y alta eficiencia. Y como los investigadores pudieron utilizar poliestireno, específicamente espuma de poliestireno, como material de partida, su método también ofrece una forma eficiente de convertir residuos plásticos en PEDOT:PSS.
Una vez que los investigadores tuvieron PEDOT:PSS, pudieron comparar el rendimiento de su polímero derivado de residuos con el PEDOT:PSS disponible comercialmente.
“En este artículo, analizamos dos dispositivos: un transistor electrónico orgánico y una célula solar”, dijo Chun Yuan Lu, candidato a doctorado en química y primer autor del artículo. “El rendimiento de ambos tipos de polímeros conductores es comparable y demuestra que nuestro método es una forma muy respetuosa con el medio ambiente de convertir residuos de poliestireno en materiales electrónicos de alto valor”.
Los análisis específicos realizados en la UD incluyeron espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) en la Instalación de Análisis de Superficies, análisis del espesor de la película en la Instalación de Nanofabricación de la UD y evaluación de células solares en el Instituto de Conversión de Energía. Se utilizó el avanzado equipo de espectroscopia de Argonne, como la RMN de carbono, para la caracterización detallada del polímero. Robert Opella y David C. Martin, profesores de ciencia e ingeniería de materiales para el análisis de células solares, Carl W. y Renate Bauer, profesora de ciencia e ingeniería de materiales, brindaron apoyo adicional para los análisis de rendimiento de dispositivos electrónicos.
Un descubrimiento inesperado relacionado con la química, añadieron los investigadores, es la capacidad de utilizar relaciones estequiométricas durante las reacciones.
“Normalmente, para la sulfonación del poliestireno hay que utilizar reactivos muy agresivos. En este caso, poder utilizar proporciones estequiométricas significa que podemos reducir la cantidad de residuos producidos”, afirma Koutsoukos.
Este hallazgo es algo que el grupo Kaiser explorará más a fondo como una forma de “ajustar” el grado de sulfonación. Hasta ahora, han descubierto que al variar la proporción de materiales de partida, pueden cambiar el grado de sulfonación del polímero. Además de estudiar cómo este grado de sulfonación afecta las propiedades eléctricas de PEDOT:PSS, el equipo está interesado en ver cómo se puede aplicar esta capacidad de ajuste a otras aplicaciones, como pilas de combustible o dispositivos de filtración de agua. donde el grado de sulfonación afecta en gran medida las propiedades del material.
“Para la comunidad de dispositivos electrónicos, la conclusión clave es que se pueden fabricar materiales electrónicos a partir de basura y funcionan igual que los que se comprarían comercialmente”, dijo Kaiser. “Para los científicos de polímeros más tradicionales, el hecho de que se pueda controlar el grado de sulfonación de manera tan efectiva y precisa será de interés para muchas comunidades y aplicaciones diferentes”.
Los investigadores también ven un gran potencial en cómo esta investigación puede contribuir a los esfuerzos globales de sostenibilidad en curso al proporcionar una nueva forma de convertir productos de desecho en materiales de valor agregado.
“Muchos científicos e investigadores están trabajando arduamente en esfuerzos de reciclaje y reciclaje, ya sea mediante métodos químicos o mecánicos, y nuestro estudio proporciona otro ejemplo de cómo podemos abordar este desafío”, dijo Lu.
La lista completa de coautores incluye a Chun-Yuan Lu, Kelsey Koutsoukos, Dan Mai Nguyen, Yuhong Wu, David Angel Trujillo, Tolaja Shrestha, Ethan Mackey, Vidhika Damani, Robert Opella, David Martin y Lauer Kaiser de la Universidad de Delaware. . y Tabitha Miller, Udhav Kanber y David Coffin del Laboratorio Nacional Argonne.
