La Universidad de Delaware y el Laboratorio Nacional Argonne han descubierto una reacción química que puede convertir el poliestireno en un polímero conductor de alto valor conocido como PEDOT:PSS. En un nuevo artículo publicado en JACS Au, El estudio demuestra cómo los residuos plásticos mejorados pueden incorporarse con éxito en dispositivos electrónicos funcionales, 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 en la Facultad de Ingeniería de la UD con un nombramiento conjunto en el Departamento de Química y Bioquímica en la Facultad de Artes y Ciencias, trabaja regularmente con PEDOT:PSS, un polímero que tiene conductividad electrónica e 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 Kaphan, durante un evento organizado por la oficina de investigación de la UD, los equipos de investigación de la UD y Argonne comenzaron a evaluar la hipótesis de que PEDOT:PSS podría fabricarse sulfonando poliestireno, un plástico sintético que se encuentra en muchos tipos de contenedores desechables y materiales de embalaje.
La sulfonación es una reacción química común en la que un átomo de hidrógeno se reemplaza por ácido sulfónico; el proceso se utiliza para crear una variedad de productos, como tintes, medicamentos y resinas de intercambio iónico. Estas reacciones pueden ser «duras» (con mayor eficiencia de conversión, pero que requieren reactivos cáusticos) o «blandas» (un método menos eficiente, pero que utiliza materiales más suaves).
En este artículo, los investigadores querían encontrar algo intermedio: «Un reactivo que sea lo suficientemente eficiente para obtener grados realmente altos de funcionalización pero que no altere la cadena del polímero», explicó Kayser.
Los investigadores recurrieron primero a un método descrito en un estudio anterior para sulfonar moléculas pequeñas, que mostró resultados prometedores en términos de eficiencia y rendimiento, utilizando cloruro de imidazolio de ácido 1,3-disulfónico ([Dsim]Cl). Pero agregar grupos funcionales a un polímero es más desafiante que en el caso de una molécula pequeña, explicaron los investigadores, porque no solo los subproductos no deseados son más difíciles de separar, sino que cualquier pequeño error en la cadena del polímero puede cambiar sus propiedades generales.
Para abordar este desafío, los investigadores se embarcaron en muchos meses de prueba y error para encontrar las condiciones óptimas que minimizaran las reacciones secundarias, dijo Kelsey Koutsoukos, candidata a doctorado en ciencias de los materiales y segunda autora de este artículo.
«Probamos diferentes solventes orgánicos, diferentes proporciones molares del agente sulfonante y evaluamos diferentes temperaturas y tiempos para ver qué condiciones eran las mejores para lograr altos grados de sulfonación», dijo.
Los investigadores pudieron encontrar condiciones de reacción que dieron como resultado una alta sulfonación de polímeros, defectos mínimos y alta eficiencia, todo mientras usaban un agente sulfonante suave. Y debido a que los investigadores pudieron usar poliestireno, específicamente desechos de poliestireno expandido, como material de partida, su método también representa una forma eficiente de convertir desechos plásticos en PEDOT:PSS.
Una vez que los investigadores tuvieron PEDOT:PSS en la mano, pudieron comparar el rendimiento de su polímero derivado de desechos en comparación con el PEDOT:PSS disponible comercialmente.
«En este artículo, analizamos dos dispositivos: un transistor electrónico orgánico y una célula solar», dijo Chun-Yuan Lo, estudiante de doctorado en química y primer autor del artículo. «El rendimiento de ambos tipos de polímeros conductores fue comparable, y demuestra que nuestro método es un enfoque muy ecológico para convertir los residuos de poliestireno en materiales electrónicos de alto valor».
Los análisis específicos realizados en la UD incluyeron espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) en la instalación de análisis de superficies, análisis de espesor de película en la Instalación de Nanofabricación de la UD y evaluación de células solares en el Instituto de Conversión de Energía. El equipo de espectroscopia avanzado de Argonne, como el RMN de carbono, se utilizó para la caracterización detallada de los polímeros. El profesor de ciencia e ingeniería de materiales Robert Opila brindó apoyo adicional para el análisis de células solares y David C. Martin, catedrático de ciencia e ingeniería de materiales Karl W. y Renate Böer, para los análisis de rendimiento de los dispositivos electrónicos.
Un hallazgo inesperado relacionado con la química, agregaron los investigadores, es la capacidad de utilizar proporciones estequiométricas durante la reacción.
«Normalmente, para la sulfonación del poliestireno, hay que utilizar una gran cantidad de reactivos muy agresivos. En este caso, poder utilizar una proporción estequiométrica significa que podemos minimizar la cantidad de residuos que se generan», afirmó Koutsoukos.
Este hallazgo es algo que el grupo de Kayser estudiará más a fondo como una forma de «afinar» 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 esta capacidad de ajuste fino se puede utilizar para otras aplicaciones, como las pilas de combustible o los dispositivos de filtración de agua, donde el grado de sulfonación afecta en gran medida las propiedades de un material.
«Para la comunidad de dispositivos electrónicos, la conclusión clave es que se pueden fabricar materiales electrónicos a partir de desechos y que funcionan tan bien como los que se compran comercialmente», dijo Kayser. «Para los científicos de polímeros más tradicionales, el hecho de que se pueda controlar de manera muy eficiente y precisa el grado de sulfonación será de interés para muchas comunidades y aplicaciones diferentes».
Los investigadores también ven un gran potencial en cómo esta investigación puede contribuir a los actuales esfuerzos de sostenibilidad global al proporcionar una nueva forma de convertir los productos de desecho en materiales de valor agregado.
«Muchos científicos e investigadores están trabajando arduamente en iniciativas de reciclaje y supraciclaje, ya sea por medios químicos o mecánicos, y nuestro estudio proporciona otro ejemplo de cómo podemos abordar este desafío», dijo Lo.
La lista completa de coautores incluye a Chun-Yuan Lo, Kelsey Koutsoukos, Dan My Nguyen, Yuhang Wu, David Angel Trujillo, Tulaja Shrestha, Ethan Mackey, Vidhika Damani, Robert Opila, David Martin y Laure Kayser de la Universidad de Delaware y Tabitha Miller, Uddhav Kanbur y David Kaphan del Laboratorio Nacional Argonne.