研究发现如何将塑料垃圾转化为电子设备

　　特拉华州[美国]，7月19日(ANI):特拉华州大学和阿贡国家实验室开发了一种化学工艺，将聚苯乙烯泡沫塑料转化为高价值的导电聚合物PEDOT: PSS。研究人员展示了如何将改进的塑料垃圾成功地集成到功能性电子设备中，如硅基混合太阳能电池和有机电化学晶体管。

　　通讯作者Laure Kayser是UD工程学院材料科学与工程系的助理教授，也是艺术与科学学院化学与生物化学系的联合任命，他的研究小组经常与PEDOT:PSS(一种同时具有电子和离子导电性的聚合物)合作，并对寻找从塑料废物中合成这种材料的方法感兴趣。

　　在特拉华大学研究办公室主办的一次活动上，特拉华大学和阿贡大学的研究小组与阿贡实验室的化学家David Kaphan会面后，开始评估PEDOT:PSS可以通过磺化聚苯乙烯来生产的假设，聚苯乙烯是一种合成塑料，存在于许多类型的一次性容器和包装材料中。

　　磺化是一种常见的化学反应，其中氢原子被磺酸取代;该工艺可用于制造各种产品，如染料、药物和离子交换树脂。这些反应可以是“硬”反应(转化效率更高，但需要腐蚀性的试剂)，也可以是“软”反应(效率较低，但使用较温和的材料)。

　　在这篇论文中，研究人员想要在中间找到一些东西:“一种足够有效的试剂，可以获得非常高的功能化程度，但不会扰乱聚合物链，”Kayser解释说。

　　研究人员首先求助于先前研究中描述的一种小分子磺化方法，该方法使用1,3-二磺酸咪唑氯([Dsim]Cl)，在效率和产量方面显示出有希望的结果。但研究人员解释说，在聚合物上添加官能团比在小分子上添加官能团更具挑战性，因为不仅不想要的副产物更难分离，而且聚合物链上的任何小错误都可能改变其整体性能。

　　为了应对这一挑战，研究人员进行了数月的反复试验，以找到最小化副反应的最佳条件，材料科学博士候选人、本文第二作者凯尔西·库索科斯(Kelsey Koutsoukos)说。

　　他说:“我们筛选了不同的有机溶剂，磺化剂的不同摩尔比，并评估了不同的温度和时间，以确定哪种条件最适合实现高度磺化。”

　　研究人员在使用一种温和的磺化剂的情况下，发现了导致聚合物磺化程度高、缺陷最小、效率高的反应条件。由于研究人员能够使用聚苯乙烯，特别是废弃的泡沫塑料作为起始材料，他们的方法也代表了一种将塑料废物转化为PEDOT的有效方法:PSS。

　　一旦研究人员有了PEDOT:PSS，他们就能够将他们的废物衍生聚合物与市售的PEDOT:PSS进行比较。

　　“在这篇论文中，我们研究了两种器件——一个有机电子晶体管和一个太阳能电池，”化学博士候选人、论文的第一作者罗春元(Chun-Yuan Lo)说。“两种类型的导电聚合物的性能相当，这表明我们的方法是一种非常环保的方法，可以将聚苯乙烯废物转化为高价值的电子材料。”

　　在UD进行的具体分析包括在表面分析设施进行x射线光电子能谱(XPS)分析，在UD纳米制造设施进行薄膜厚度分析，以及在能量转换研究所进行太阳能电池评估。阿贡国家实验室先进的光谱设备，如碳核磁共振，被用于详细的聚合物表征。材料科学与工程教授Robert Opila为太阳能电池分析和David C. Martin (Karl W. and Renate Boer材料科学与工程主席教授)为电子设备性能分析提供了额外的支持。

　　研究人员补充说，与化学有关的一个意想不到的发现是在反应过程中使用化学计量比的能力。

　　“通常，对于聚苯乙烯的磺化，你必须使用过量的非常苛刻的试剂。在这里，能够使用化学计量比意味着我们可以最大限度地减少产生的废物量，”库索科斯说。

　　Kayser小组将进一步研究这一发现，以“微调”磺化程度。到目前为止，他们已经发现，通过改变原料的比例，他们可以改变聚合物上磺化的程度。除了研究这种磺化程度如何影响PEDOT:PSS的电性能外，该团队还对如何将这种微调能力用于其他应用感兴趣，例如燃料电池或水过滤设备，其中磺化程度极大地影响了材料的性能。

　　Kayser说:“对于电子设备社区来说，关键的收获是你可以从垃圾中制造电子材料，它们的性能和你在商业上购买的一样好。”“对于更传统的聚合物科学家来说，你可以非常有效和精确地控制磺化程度，这一事实将引起许多不同社区和应用的兴趣。”

　　研究人员还看到了这项研究如何通过提供一种将废物转化为增值材料的新方法，为正在进行的全球可持续性努力做出贡献的巨大潜力。

　　“许多科学家和研究人员正在努力通过化学或机械手段进行升级回收和再循环工作，我们的研究为我们如何应对这一挑战提供了另一个例子，”罗说。(ANI)