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A Universidade de Delaware e o Laboratório Nacional de Argonne criaram uma reação química que pode converter isopor em um polímero condutor de alto valor conhecido como PEDOT:PSS. Em um novo artigo publicado em JACS Au, o estudo demonstra como resíduos plásticos reciclados podem ser incorporados com sucesso em dispositivos eletrônicos funcionais, incluindo células solares híbridas baseadas em silício e transistores eletroquímicos orgânicos.
O grupo de pesquisa da autora correspondente Laure Kayser, professora assistente no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia da UD, com nomeação conjunta no Departamento de Química e Bioquímica da Faculdade de Artes e Ciências, trabalha regularmente com PEDOT:PSS, um polímero que possui condutividade eletrônica e iônica, e estava interessado em encontrar maneiras de sintetizar esse material a partir de resíduos plásticos.
Depois de se conectar com o químico da Argonne, David Kaphan, durante um evento organizado pelo escritório de pesquisa da UD, as equipes de pesquisa da UD e da Argonne começaram a avaliar a hipótese de que o PEDOT:PSS poderia ser feito pela sulfonação do poliestireno, um plástico sintético encontrado em muitos tipos de recipientes descartáveis e materiais de embalagem.
Sulfonação é uma reação química comum onde um átomo de hidrogênio é substituído por ácido sulfônico; o processo é usado para criar uma variedade de produtos como corantes, medicamentos e resinas de troca iônica. Essas reações podem ser “duras” (com maior eficiência de conversão, mas que requerem reagentes cáusticos) ou “suaves” (um método menos eficiente, mas que usa materiais mais suaves).
Neste artigo, os pesquisadores queriam encontrar algo intermediário: “Um reagente que fosse eficiente o suficiente para obter altos graus de funcionalização, mas que não bagunçasse sua cadeia de polímero”, explicou Kayser.
Os pesquisadores primeiro recorreram a um método descrito em um estudo anterior para sulfonação de pequenas moléculas, que mostrou resultados promissores em termos de eficiência e rendimento, usando cloreto de imidazólio de ácido 1,3-dissulfônico ([Dsim]Cl). Mas adicionar grupos funcionais a um polímero é mais desafiador do que para uma molécula pequena, explicaram os pesquisadores, porque não apenas os subprodutos indesejados são mais difíceis de separar, como quaisquer pequenos erros na cadeia do polímero podem alterar suas propriedades gerais.
Para enfrentar esse desafio, os pesquisadores embarcaram em muitos meses de tentativa e erro para encontrar as condições ideais que minimizassem as reações colaterais, disse Kelsey Koutsoukos, candidata a doutorado em ciência dos materiais e segunda autora deste artigo.
“Nós avaliamos diferentes solventes orgânicos, diferentes proporções molares do agente sulfonante e avaliamos diferentes temperaturas e tempos para ver quais condições eram as melhores para atingir altos graus de sulfonação”, disse ele.
Os pesquisadores conseguiram encontrar condições de reação que resultaram em alta sulfonação de polímero, defeitos mínimos e alta eficiência, tudo isso usando um agente sulfonante suave. E como os pesquisadores conseguiram usar poliestireno, especificamente isopor residual, como material de partida, seu método também representa uma maneira eficiente de converter resíduos plásticos em PEDOT:PSS.
Depois que os pesquisadores tiveram o PEDOT:PSS em mãos, eles puderam comparar o desempenho do seu polímero derivado de resíduos em comparação ao PEDOT:PSS disponível comercialmente.
“Neste artigo, nós olhamos para dois dispositivos — um transistor eletrônico orgânico e uma célula solar”, disse Chun-Yuan Lo, um candidato a doutorado em química e o primeiro autor do artigo. “O desempenho de ambos os tipos de polímeros condutores foi comparável, e mostra que nosso método é uma abordagem muito ecológica para converter resíduos de poliestireno em materiais eletrônicos de alto valor.”
Análises específicas conduzidas na UD incluíram espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) na instalação de análise de superfície, análise de espessura de filme na Instalação de Nanofabricação da UD e avaliação de células solares no Instituto de Conversão de Energia. O equipamento avançado de espectroscopia da Argonne, como RMN de carbono, foi usado para caracterização detalhada do polímero. Suporte adicional foi fornecido pelo professor de ciência e engenharia de materiais Robert Opila para análise de células solares e por David C. Martin, Karl W. e Renate Böer Chaired Professor of Materials Science and Engineering, para as análises de desempenho de dispositivos eletrônicos.
Uma descoberta inesperada relacionada à química, acrescentaram os pesquisadores, é a capacidade de usar proporções estequiométricas durante a reação.
“Normalmente, para sulfonação de poliestireno, você tem que usar um excesso de reagentes realmente agressivos. Aqui, ser capaz de usar uma razão estequiométrica significa que podemos minimizar a quantidade de resíduos sendo gerados”, disse Koutsoukos.
Essa descoberta é algo que o grupo Kayser vai investigar mais profundamente como uma forma de “ajustar” o grau de sulfonação. Até agora, eles descobriram que, variando a proporção de materiais de partida, eles podem mudar o grau de sulfonação no polímero. Junto com o estudo de como esse grau de sulfonação impacta as propriedades elétricas do PEDOT:PSS, a equipe está interessada em ver como essa capacidade de ajuste fino pode ser usada para outras aplicações, como células de combustível ou dispositivos de filtragem de água, onde o grau de sulfonação impacta muito as propriedades de um material.
“Para a comunidade de dispositivos eletrônicos, a principal lição é que você pode fazer materiais eletrônicos a partir do lixo, e eles funcionam tão bem quanto os que você compraria comercialmente”, disse Kayser. “Para os cientistas de polímeros mais tradicionais, o fato de que você pode controlar de forma muito eficiente e precisa o grau de sulfonação será de interesse para muitas comunidades e aplicações diferentes.”
Os pesquisadores também veem grande potencial em como essa pesquisa pode contribuir para os esforços contínuos de sustentabilidade global, fornecendo uma nova maneira de converter resíduos em materiais de valor agregado.
“Muitos cientistas e pesquisadores estão trabalhando duro em esforços de reciclagem e upcycling, seja por meios químicos ou mecânicos, e nosso estudo fornece outro exemplo de como podemos enfrentar esse desafio”, disse Lo.
A lista completa de coautores inclui Chun-Yuan Lo, Kelsey Koutsoukos, Dan My Nguyen, Yuhang Wu, David Angel Trujillo, Tulaja Shrestha, Ethan Mackey, Vidhika Damani, Robert Opila, David Martin e Laure Kayser da Universidade de Delaware e Tabitha Miller, Uddhav Kanbur e David Kaphan do Laboratório Nacional de Argonne.
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