이제 폐스티로폼을 전자제품용 폴리머로 변환할 수 있습니다.

델라웨어 대학과 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)는 스티로폼을 PEDOT:PSS라고 알려진 고가치 전도성 폴리머로 전환할 수 있는 화학 반응을 고안했습니다. 에 발표된 새로운 논문에서 JACS Au, 이 연구는 업그레이드된 플라스틱 폐기물이 실리콘 기반 하이브리드 태양전지 및 유기 전기화학 트랜지스터를 포함한 기능성 전자 장치에 어떻게 성공적으로 통합될 수 있는지 보여줍니다.

인문과학대학 화학 및 생화학과에 공동 임명된 UD 공과대학 재료공학과 조교수인 교신 저자 Laure Kayser의 연구 그룹은 PEDOT:PSS와 정기적으로 협력하고 있으며, 전자 전도성과 이온 전도성을 모두 갖고 있는 폴리머로, 플라스틱 폐기물에서 이 물질을 합성하는 방법을 찾는 데 관심이 있었습니다.

UD 연구실이 주최한 행사에서 아르곤 화학자 데이비드 카판(David Kaphan)과 만난 후, UD와 아르곤의 연구팀은 다양한 종류의 일회용 용기와 포장에서 발견되는 합성 플라스틱인 폴리스티렌을 술폰화하여 PEDOT:PSS를 만들 수 있다는 가설을 평가하기 시작했습니다.

설폰화는 수소 원자가 설폰산으로 대체되는 일반적인 화학 반응입니다. 이 공정은 염료, 약물, 이온교환수지 등 다양한 제품을 만드는 데 사용됩니다. 이러한 반응은 "경질"(전환 효율이 높지만 부식성 시약이 필요함) 또는 "부드러운"(덜 효율적인 방법이지만 더 순한 재료를 사용하는 방법)일 수 있습니다.

이 논문에서 연구자들은 중간에 있는 무언가를 찾고 싶었습니다. Kayser는 "정말로 높은 수준의 기능화를 얻을 수 있을 만큼 효율적이지만 폴리머 사슬을 엉망으로 만들지 않는 시약"이라고 설명했습니다.

연구진은 먼저 1,3-디술폰산 이미다졸륨 클로라이드를 사용하여 효율성과 수율 측면에서 유망한 결과를 보여준 작은 분자를 술폰화하는 이전 연구에서 설명된 방법으로 전환했습니다.[Dsim]씨). 그러나 고분자에 작용기를 추가하는 것은 작은 분자의 경우보다 더 어렵다고 연구원들은 설명했습니다. 왜냐하면 원치 않는 부산물을 분리하기가 더 어려울 뿐만 아니라 고분자 사슬의 작은 오류가 전체 특성을 변경할 수 있기 때문입니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 부반응을 최소화하는 최적의 조건을 찾기 위해 수개월 간의 시행착오를 겪었다고 재료 과학 박사 과정 학생이자 이 논문의 두 번째 저자인 Kelsey Koutsoukos가 말했습니다.

"우리는 다양한 유기 용매, 다양한 설폰화제 몰비를 선별하고, 높은 수준의 설폰화를 달성하는 데 가장 적합한 조건을 확인하기 위해 다양한 온도와 시간을 평가했습니다."라고 그는 말했습니다.

연구진은 순한 설폰화제를 사용하면서 고분자 설폰화, 결함 최소화, 고효율을 초래하는 반응 조건을 찾을 수 있었습니다. 그리고 연구원들은 폴리스티렌, 특히 폐스티로폼을 출발 물질로 사용할 수 있었기 때문에 그들의 방법은 플라스틱 폐기물을 PEDOT:PSS로 변환하는 효율적인 방법이기도 합니다.

연구자들은 PEDOT:PSS를 손에 넣은 후 폐기물 유래 폴리머의 성능을 시중에서 판매되는 PEDOT:PSS와 비교할 수 있었습니다.

"이 논문에서 우리는 유기 전자 트랜지스터와 태양 전지라는 두 가지 장치를 살펴보았습니다."라고 해당 논문의 제1저자이자 화학 박사 과정 학생인 Chun-Yuan Lo가 말했습니다. "두 가지 유형의 전도성 고분자의 성능은 비슷했으며, 우리의 방법이 폴리스티렌 폐기물을 고부가가치 전자 재료로 전환하는 매우 친환경적인 접근 방식임을 보여줍니다."

UD에서 수행된 구체적인 분석에는 표면 분석 시설의 X선 광전자 분광법(XPS), UD 나노제조 시설의 필름 두께 분석, 에너지 변환 연구소의 태양전지 평가가 포함되었습니다. 탄소 NMR과 같은 Argonne의 고급 분광학 장비는 상세한 폴리머 특성 분석에 사용되었습니다. 태양 전지 분석을 위해 재료 과학 및 공학 교수인 Robert Opila와 전자 장치 성능 분석을 위해 재료 과학 및 공학 교수인 David C. Martin, Karl W. 및 Renate Böer 석좌 교수가 추가 지원을 제공했습니다.

연구원들은 화학과 관련된 예상치 못한 발견 중 하나는 반응 중에 화학량론적 비율을 사용할 수 있다는 점이라고 덧붙였습니다.

"일반적으로 폴리스티렌의 설폰화를 위해서는 매우 가혹한 시약을 과도하게 사용해야 합니다. 여기서 화학량론적 비율을 사용할 수 있다는 것은 생성되는 폐기물의 양을 최소화할 수 있음을 의미합니다"라고 Koutsoukos는 말했습니다.

이 발견은 Kayser 그룹이 술폰화 정도를 "미세 조정"하는 방법으로 추가 조사할 내용입니다. 지금까지 그들은 출발 물질의 비율을 변화시킴으로써 중합체의 설폰화 정도를 변화시킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 연구팀은 이러한 설폰화 정도가 PEDOT:PSS의 전기적 특성에 어떤 영향을 미치는지 연구하는 동시에 이 미세 조정 기능을 연료 전지나 물 여과 장치와 같은 다른 응용 분야에 어떻게 사용할 수 있는지 알아보는 데 관심이 있습니다. 재료의 특성에 큰 영향을 미칩니다.

Kayser는 "전자 장치 커뮤니티의 경우 가장 중요한 점은 쓰레기로 전자 재료를 만들 수 있으며 상업적으로 구입하는 것과 동일한 성능을 발휘한다는 것입니다."라고 말했습니다. "보다 전통적인 고분자 과학자들에게 설폰화 정도를 매우 효율적이고 정확하게 제어할 수 있다는 사실은 다양한 커뮤니티와 응용 분야에서 흥미로울 것입니다."

연구원들은 또한 이 연구가 폐기물을 부가가치 물질로 변환하는 새로운 방법을 제공함으로써 지속적인 글로벌 지속 가능성 노력에 어떻게 기여할 수 있는지에 대한 큰 잠재력을 확인했습니다.

Lo는 "많은 과학자와 연구자들이 화학적 또는 기계적 수단을 통해 업사이클링 및 재활용 노력에 열심히 노력하고 있으며, 우리 연구는 이 문제를 해결할 수 있는 방법에 대한 또 다른 예를 제공합니다"라고 말했습니다.

공동 저자의 전체 목록에는 델라웨어 대학의 Chun-Yuan Lo, Kelsey Koutsoukos, Dan My Nguyen, Yuhang Wu, David Angel Trujillo, Tulaja Shrestha, Ethan Mackey, Vidhika Damani, Robert Opila, David Martin 및 Laure Kayser가 포함됩니다. Argonne National Laboratory의 Tabitha Miller, Uddhav Kanbur 및 David Kaphan이 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240719180317.htm