Biến chất thải nhựa thành thiết bị điện tử

Vai trò của PEDOT

Dưới sự chỉ đạo của PGS Laure Kayser - Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Đại học Delaware, nhóm nghiên cứu đã tìm cách tổng hợp PEDOT từ chất thải nhựa. Các chuyên gia đưa ra giả thuyết rằng, PEDOT có thể được sản xuất bằng cách sulfonat hóa polystyrene, một loại nhựa tổng hợp phổ biến có trong các vật liệu đóng gói và hộp đựng dùng một lần.

Sulfonat hóa là một quá trình trong đó một nguyên tử hydro được thay thế bằng axit sulfonic, xuất hiện trong nhiều sản phẩm khác nhau, từ thuốc nhuộm đến dược phẩm. Tuy nhiên, việc tìm ra sự cân bằng phù hợp trong phản ứng để tránh làm hỏng chuỗi polymer là rất quan trọng.

Ban đầu, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp để sulfonat hóa các phân tử nhỏ, sử dụng axit imidazolium clorua 1,3-Disulfonic. Tuy nhiên, sulfonat hóa polymer phức tạp hơn do những thách thức trong việc tách các sản phẩm phụ và duy trì tính toàn vẹn của polymer.

Điều này dẫn đến nhiều tháng thử nghiệm và gặp sai sót trước khi có thể tối ưu hóa các điều kiện và giảm thiểu các phản ứng phụ, theo nghiên cứu sinh tiến sĩ khoa học vật liệu Kelsey Koutsoukos.

“Chúng tôi đã sàng lọc các dung môi hữu cơ khác nhau, các tỷ lệ mol khác nhau của tác nhân sulfonat hóa và đánh giá các nhiệt độ và thời gian khác nhau để xem điều kiện nào là tốt nhất nhằm đạt được mức độ sulfonat hóa cao”, ông Koutsoukos cho biết.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã xác định được điều kiện đạt được quá trình sulfonat hóa polyme cao với các lỗi tối thiểu và hiệu quả cao bằng cách sử dụng tác nhân sulfonat hóa nhẹ.

Bằng cách sử dụng xốp Styrofoam thải, phương pháp của họ cũng là một cách hiệu quả để chuyển đổi rác thải nhựa thành PEDOT. Sau khi sản xuất, nhóm nghiên cứu đã so sánh PEDOT có nguồn gốc từ rác thải của họ với các phiên bản có sẵn trên thị trường.

“Hiệu suất của cả 2 loại polymer dẫn điện đều tương đương nhau và phương pháp của chúng tôi đã chứng minh là một cách tiếp cận rất thân thiện với môi trường để chuyển đổi rác thải polystyrene thành vật liệu điện tử có giá trị cao” - tác giả chính Chun-Yuan Lo, một nghiên cứu sinh tiến sĩ hóa học tại Đại học Delaware cho biết.

Các phân tích cụ thể được tiến hành gồm quang phổ điện tử tia X (XPS), phân tích độ dày màng và đánh giá pin mặt trời, trong khi thiết bị quang phổ tiên tiến của Argonne cung cấp đặc tính polyme chi tiết.

Giảm thiểu phát sinh chất thải

Một khám phá bất ngờ là khả năng sử dụng tỷ lệ thành phần trong quá trình phản ứng, giúp giảm thiểu phát sinh chất thải. “Thông thường, để sunfonat hóa polystyren, bạn phải sử dụng một lượng lớn thuốc thử thực sự mạnh. Ở đây, việc có thể tính hệ số tỷ lượng có nghĩa là chúng ta có thể giảm thiểu lượng chất thải được tạo ra” - ông Koutsoukos giải thích.

Nhóm nghiên cứu có kế hoạch khám phá thêm phát hiện này để tinh chỉnh mức độ sunfonat hóa, tác động đến các đặc tính điện của PEDOT. Họ đặt mục tiêu áp dụng khả năng này cho các ứng dụng khác, như pin nhiên liệu hoặc thiết bị lọc nước.

Theo PGS Laure Kayser, đối với cộng đồng thiết bị điện tử, điều quan trọng nhất có thể tạo ra vật liệu điện tử từ rác và chúng hoạt động tốt như những gì mua trên thị trường. Đối với các nhà khoa học nghiên cứu về polyme theo cách truyền thống hơn, thực tế là bạn có thể kiểm soát mức độ sunfonat hóa một cách hiệu quả và chính xác sẽ thu hút sự quan tâm của nhiều cộng đồng và ứng dụng khác nhau”.

Các nhà nghiên cứu cũng thấy tiềm năng đáng kể của nghiên cứu để đóng góp vào các nỗ lực phát triển bền vững toàn cầu bằng cách chuyển đổi các sản phẩm thải thành vật liệu có giá trị.

Nghiên cứu không chỉ chứng minh một phương pháp cải tiến để tái chế xốp thành polyme dẫn điện có giá trị cao mà còn nhấn mạnh tiềm năng sử dụng các vật liệu phế thải nhựa này trong các thiết bị điện tử chức năng.

Nâng cấp rác thải nhựa

Nghiên cứu này nêu bật những lợi ích về môi trường và các ứng dụng thực tế của việc biến rác thải nhựa thành các nguồn tài nguyên có giá trị. “Nhiều loại nhựa thơm đã được sulfonat hóa hiệu quả, gồm polystyren nở, thu được từ bao bì rác thải nhựa. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp này để nâng cấp rác thải nhựa thành polyme dẫn điện chứa 2/3 khối lượng rác thải nhựa”, các nhà nghiên cứu lưu ý.

Vật liệu này tỏ ra hiệu quả trong các bóng bán dẫn điện hóa hữu cơ và pin mặt trời dựa trên silicon, đồng thời làm nổi bật tiềm năng của phương pháp sulfonat hóa để tiếp cận các thiết bị điện tử chất lượng cao từ nhựa thải.

Các nhà nghiên cứu tin rằng kỹ thuật cải tiến của họ sẽ kích thích sự quan tâm trong việc phát triển các phương pháp tiếp cận bền vững đối với vật liệu điện tử thông qua quá trình nâng cấp từ nhựa thành thiết bị điện tử.