研究表明如何将废弃的聚苯乙烯泡沫塑料转化为电子产品聚合物

特拉华大学和阿贡国家实验室的研究人员开展的一项新研究描述了一种化学反应，该反应可以将泡沫塑料转化为一种称为PEDOT:PSS的高价值导电聚合物。

该研究发表在《JACSAu》上，还展示了如何将升级后的塑料废物成功融入功能性电子设备中，包括硅基混合太阳能电池和有机电化学晶体管。

通讯作者LaureKayser的研究小组是特拉华大学工程学院材料科学与工程系的助理教授，同时兼任文理学院化学与生物化学系教授，她经常研究PEDOT:PSS(一种同时具有电子和离子导电性的聚合物)，并对寻找从塑料废物中合成这种材料的方法很感兴趣。

在特拉华大学研究办公室主办的一场活动中与阿贡大学化学家DavidKaphan取得联系后，特拉华大学和阿贡大学的研究团队开始评估以下假设：PEDOT:PSS可通过磺化聚苯乙烯制成，聚苯乙烯是一种存在于多种一次性容器和包装材料中的合成塑料。

磺化是一种常见的化学反应，其中氢原子被磺酸取代;该过程用于制造各种产品，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，研究人员想要找到一个中间点：“一种足够有效的试剂，可以获得真正高程度的功能化，但又不会扰乱聚合物链，”凯瑟解释说。

研究人员首先采用了之前研究中描述的磺化小分子的方法，该方法使用1,3-二磺酸咪唑氯化物([Dsim]Cl)，在效率和产量方面显示出令人鼓舞的结果。但研究人员解释说，在聚合物上添加功能基团比在小分子上添加功能基团更具挑战性，因为不仅不需要的副产品更难分离，而且聚合物链中的任何小错误都可能改变其整体特性。

材料科学博士生、本文第二作者KelseyKoutsoukos表示，为了应对这一挑战，研究人员经过数月的反复试验，寻找最大限度减少副反应的最佳条件。

他说：“我们筛选了不同的有机溶剂、不同摩尔比的磺化剂，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磺化程度。”

研究人员能够找到反应条件，实现高聚合物磺化、最小缺陷和高效率，同时使用温和的磺化剂。由于研究人员能够使用聚苯乙烯，特别是废聚苯乙烯泡沫塑料作为起始材料，因此他们的方法也代表了一种将塑料废物转化为PEDOT:PSS的有效方法。

研究人员拿到PEDOT:PSS后，他们能够比较他们从废物中得到的聚合物与市售的PEDOT:PSS的性能。

“在这篇论文中，我们研究了两种设备——有机电子晶体管和太阳能电池，”化学博士候选人、论文第一作者Chun-YuanLo说道。“这两种导电聚合物的性能相当，表明我们的方法是一种非常环保的方法，可以将聚苯乙烯废料转化为高价值的电子材料。”

特拉华大学进行的具体分析包括表面分析设施的X射线光电子能谱(XPS)、特拉华大学纳米加工设施的薄膜厚度分析以及能源转换研究所的太阳能电池评估。阿贡的先进光谱设备(如碳核磁共振)用于详细的聚合物表征。

材料科学与工程学教授RobertOpila为太阳能电池分析提供了额外支持，KarlW.和RenateBöer材料科学与工程学教授DavidC.Martin为电子设备性能分析提供了额外支持。

研究人员补充说，与化学相关的一个意外发现是在反应过程中能够使用化学计量比。

“通常，对于聚苯乙烯的磺化，你必须使用过量的非常刺激的试剂。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，”Koutsoukos说。

Kayser团队将进一步研究这一发现，以此“微调”磺化程度。到目前为止，他们发现通过改变起始材料的比例，可以改变聚合物的磺化程度。

除了研究磺化程度如何影响PEDOT:PSS的电学性能外，研究小组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装置，其中磺化程度极大地影响了材料的性能。

凯瑟说：“对于电子设备社区来说，关键的一点是你可以用垃圾制造电子材料，而且它们的性能与你在市场上购买的一样好。”

“对于更传统的聚合物科学家来说，能够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。”

研究人员还看到了巨大的潜力，即通过提供一种将废弃物转化为增值材料的新方法，该研究可以为正在进行的全球可持续发展努力做出贡献。

罗说：“许多科学家和研究人员正在努力通过化学或机械方法进行升级再造和回收利用，我们的研究为我们如何应对这一挑战提供了另一个例子。”

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