Nowa metoda przekształca odpady z tworzyw sztucznych w wysokowydajną elektronikę, taką jak ogniwa słoneczne i tranzystory

Naukowcy z University of Delaware (UD) i Argonne National Laboratory odkryli sposób na przekształcenie powszechnego obrzydlistwa - styropianu - w cenny materiał dla elektroniki. Ich podejście, szczegółowo opisane w niedawnym badaniu opublikowanym w JACS Au, wykorzystuje reakcję chemiczną do przekształcenia odpadowego polistyrenu, tworzywa sztucznego znajdującego się w styropianie, w wysokowydajny polimer przewodzący znany jako PEDOT: PSS.

Odkrycie to jest obiecujące zarówno dla przemysłu elektronicznego, jak i dla środowiska. PEDOT:PSS jest wszechstronnym materiałem o przewodnictwie elektronicznym i jonowym, dzięki czemu idealnie nadaje się do różnych urządzeń elektronicznych. Tradycyjnie polimer ten jest syntetyzowany przy użyciu agresywnych chemikaliów. Jednak zespół UD i Argonne z powodzeniem zastosował łagodniejszy proces sulfonowania.

Badania prowadzone przez dr Laure Kayser, adiunkta na Wydziale Inżynierii Materiałowej UD, rozpoczęły się od prostego pytania: czy PEDOT:PSS może pochodzić z odpadów z tworzyw sztucznych? Współpracując z dr Davidem Kaphanem, chemikiem z Argonne, zespół zbadał możliwość sulfonowania polistyrenu, kluczowego składnika styropianu.

Sulfonowanie polega na zastąpieniu atomu wodoru kwasem sulfonowym, co jest procesem powszechnie stosowanym w tworzeniu różnych produktów. Kluczowe jest jednak znalezienie odpowiedniej równowagi. Ostre metody oferują wysoką konwersję, ale generują szkodliwe produkty uboczne, podczas gdy łagodniejsze podejścia są mniej wydajne.

Naukowcy przetestowali różne warunki, takie jak rozpuszczalniki, proporcje środka sulfonującego, temperatura i czas reakcji. Zaprojektowali metodę, która pozwala osiągnąć wysoki stopień sulfonowania polimerów przy minimalnych defektach i imponującej wydajności, przy jednoczesnym wykorzystaniu łagodniejszego i bardziej przyjaznego dla środowiska podejścia.

"Możemy wytwarzać materiały elektroniczne ze śmieci i działają one równie dobrze, jak dostępne na rynku opcje" - mówi dr Kayser. Zmniejsza to zależność od materiałów pierwotnych i oferuje cenną ścieżkę zarządzania odpadami.

Zespół z powodzeniem włączył PEDOT:PSS pochodzący z odpadów do funkcjonalnych urządzeń elektronicznych, w tym organicznych tranzystory i ogniwa słoneczne. Wydajność tych urządzeń była porównywalna z urządzeniami wykorzystującymi komercyjnie produkowany PEDOT:PSS.

Ten przełom ma wiele implikacji dla przyszłości elektroniki i zrównoważonego rozwoju. Mniej niż 23% z 62 miliardów kg (137 miliardów funtów) e-odpadów zostało udokumentowanych jako prawidłowo poddane recyklingowi w 2022 roku, zgodnie z raportem Global E-waste Monitor Report 2024. Właśnie dlatego badania podobne do tych mogą mieć kluczowe znaczenie w przyszłości.