Nieuwe methode zet afvalplastic om in hoogwaardige elektronica, zoals zonnecellen en transistors

Onderzoekers van de Universiteit van Delaware (UD) en Argonne National Laboratory hebben een manier ontdekt om een veelvoorkomende doorn in het oog - piepschuim - om te zetten in een waardevol materiaal voor elektronica. Hun aanpak, beschreven in een recent onderzoek gepubliceerd in JACS Au, maakt gebruik van een chemische reactie om afvalpolystyreen, het plastic dat in piepschuim zit, om te zetten in een hoogwaardig geleidend polymeer dat bekend staat als PEDOT:PSS.

Deze ontdekking is veelbelovend voor zowel de elektronica-industrie als het milieu. PEDOT:PSS is een veelzijdig materiaal met zowel elektronische als ionische geleidbaarheid, waardoor het ideaal is voor verschillende elektronische apparaten. Traditioneel wordt dit polymeer gesynthetiseerd met behulp van agressieve chemicaliën. Het team van UD en Argonne heeft echter met succes een milder sulfonatieproces toegepast.

Het onderzoek, onder leiding van Dr. Laure Kayser, een assistent-professor aan het Department of Materials Science and Engineering van UD, begon met een eenvoudige vraag: kan PEDOT:PSS worden afgeleid van plastic afval? In samenwerking met Dr. David Kaphan, een scheikundige uit Argonne, onderzocht het team de mogelijkheid om polystyreen, het hoofdbestanddeel van piepschuim, te sulfoneren.

Sulfoneren houdt in dat een waterstofatoom vervangen wordt door sulfonzuur, een proces dat vaak gebruikt wordt bij het maken van verschillende producten. Het juiste evenwicht vinden is echter cruciaal. Harde methoden bieden een hoge conversie maar genereren schadelijke bijproducten, terwijl mildere benaderingen minder efficiënt zijn.

De onderzoekers testten verschillende omstandigheden, zoals oplosmiddelen, verhoudingen van het sulfoneermiddel, temperatuur en reactietijd. Ze ontwierpen een methode die een hoge polymeer-sulfonatie bereikt met minimale defecten en een indrukwekkende efficiëntie, en dat alles met een mildere en milieuvriendelijkere aanpak.

"We kunnen elektronische materialen maken van afval en ze presteren net zo goed als commercieel verkrijgbare opties," zegt Dr. Kayser. Dit vermindert de afhankelijkheid van nieuwe materialen en biedt een waardevol pad voor afvalbeheer.

Het team verwerkte hun van afval afgeleide PEDOT:PSS met succes in functionele elektronische apparaten, waaronder organische transistors en zonnecellen. De prestaties van deze apparaten waren vergelijkbaar met die van commercieel geproduceerd PEDOT:PSS.

Deze doorbraak heeft veel gevolgen voor de toekomst van elektronica en duurzaamheid. Volgens het Global E-waste Monitor Report 2024 werd in 2022 minder dan 23% van 62 miljard kg (137 miljard lbs.) e-waste naar behoren gerecycled Global E-waste Monitor Report 2024. Dit is precies de reden waarom onderzoek zoals dit in de toekomst van groot belang zou kunnen zijn.