Des scientifiques ont mis au point une réaction chimique capable de transformer le polystyrène expansé en un polymère conducteur de grande valeur, connu sous le nom de PEDOT:PSS. Une nouvelle étude démontre comment les déchets plastiques améliorés ont la capacité d’être intégrés avec succès dans des dispositifs électroniques fonctionnels, comme des cellules solaires hybrides à base de silicium et des transistors électrochimiques organiques.
Le groupe de recherche dirigé par Laure Kayser, professeure adjointe au Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université du Delaware, avec une nomination conjointe au Département de chimie et de biochimie, travaille régulièrement avec le PEDOT:PSS. Ce polymère, doté de conductivité électronique et ionique, a suscité l’intérêt de l’équipe pour sa synthèse à partir de déchets plastiques.
Les équipes ont commencé à évaluer l’hypothèse selon laquelle le PEDOT:PSS pourrait être obtenu par sulfonation du polystyrène, un plastique synthétique présent dans de nombreux types de contenants jetables et de matériaux d’emballage.
La sulfonation est une réaction chimique courante où un atome d’hydrogène est remplacé par de l’acide sulfonique. Ce processus est utilisé pour créer divers produits tels que des colorants, des médicaments et des résines échangeuses d’ions. Ces réactions peuvent être «dures» (avec une efficacité de conversion plus élevée mais nécessitant des réactifs caustiques) ou « douces » (une méthode moins efficace mais utilisant des matériaux plus doux).
Dans cette étude, les chercheurs cherchaient un compromis : «Un réactif suffisamment efficace pour obtenir des degrés élevés de fonctionnalisation sans altérer la chaîne polymère», a expliqué Laure Kayser.
Les chercheurs ont d’abord utilisé une méthode décrite dans une étude précédente pour sulfoner de petites molécules, montrant des résultats prometteurs en termes d’efficacité et de rendement, en utilisant le 1,3-acide disulfonique chlorure d’imidazolium ([Dsim]Cl). L’ajout de groupes fonctionnels à un polymère est plus complexe qu’à une petite molécule, car les sous-produits indésirables sont plus difficiles à séparer et les erreurs dans la chaîne polymère peuvent modifier ses propriétés globales.
Pour relever ce défi, les chercheurs ont entrepris de nombreux mois d’essais et d’erreurs pour trouver les conditions optimales minimisant les réactions secondaires, a déclaré Kelsey Koutsoukos, doctorant en science des matériaux et deuxième auteur de l’article.
Les chercheurs ont réussi à trouver des conditions de réaction permettant une sulfonation élevée du polymère, avec des défauts minimaux et une efficacité élevée, tout en utilisant un agent sulfonant doux. Grâce à l’utilisation du polystyrène, en particulier du polystyrène expansé, comme matériau de départ, leur méthode représente également un moyen efficace de convertir les déchets plastiques en PEDOT:PSS.
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Une fois le PEDOT:PSS obtenu, les chercheurs ont pu comparer les performances de leur polymère dérivé des déchets avec celles du PEDOT:PSS disponible dans le commerce. «Dans cet article, nous avons examiné deux dispositifs : un transistor électronique organique et une cellule solaire», a indiqué Chun-Yuan Lo, doctorant en chimie et premier auteur de l’article.
«Les performances des deux types de polymères conducteurs étaient comparables, montrant que notre méthode est une approche très écologique pour convertir les déchets de polystyrène en matériaux électroniques de grande valeur.»
«Pour la communauté des dispositifs électroniques, la principale conclusion est que vous pouvez fabriquer des matériaux électroniques à partir de déchets, et ils fonctionnent aussi bien que ceux que vous achèteriez dans le commerce», a encore dit Laure Kayser. «Pour les scientifiques des polymères plus traditionnels, le fait que vous puissiez contrôler très efficacement et précisément le degré de sulfonation intéressera de nombreuses communautés et applications différentes.»
Les chercheurs voient également un grand potentiel pour que cette recherche contribue aux efforts de durabilité mondiale en fournissant une nouvelle méthode pour convertir les déchets en matériaux à valeur ajoutée.
«De nombreux scientifiques et chercheurs travaillent dur sur les efforts de recyclage et de valorisation, que ce soit par des moyens chimiques ou mécaniques, et notre étude fournit un autre exemple de la manière dont nous pouvons relever ce défi», a conclu Chun-Yuan Lo.
Article : « Imidazolium-Based Sulfonating Agent to Control the Degree of Sulfonation of Aromatic Polymers and Enable Plastics-to-Electronics Upgrading
» – DOI: 10.1021/jacsau.4c00355
Légende article : Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université de Californie (du coin supérieur gauche à l’extrême droite), Laure Kayser, Chun-Yuan Lo et Kelsey Koutsoukos, et David Kaphan de l’Argonne National Laboratory (coin inférieur gauche), a démontré comment les déchets de polystyrène peuvent être transformés en polymères pour les matériaux électroniques. Crédit : Evan Krape / University of Delaware
