Ein Rezept für „grüne“ Elektronik? Vulkanisches H2O bei 0 Grad Celsius rühren

Nick_Pandevonium/iStock

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Wenn Sie über die Herstellung elektrischer Komponenten nachdenken, steht Wasser möglicherweise nicht ganz oben auf Ihrer Rohstoffliste. Doch laut einer kürzlich in Water Chemistry and Technology veröffentlichten Studie haben Forscher der Universität Tsukuba vulkanisches Quellwasser genutzt, um bei der Entwicklung des Kunststoffs zu helfen, der ein entscheidender Bestandteil vieler moderner Technologien ist.

Die Forschung kann die Nachhaltigkeit der Herstellung zahlreicher Konsum- und Industriegüter erheblich verbessern.

In vielen modernen Technologien halten Kunststoffe – Polyanilin (PANI) – elektronische Komponenten zusammen.

Für diese und andere Anwendungen wird PANI jährlich auf Millionen Quadratmetern eingesetzt. Daher hat die Herstellung mit einem umweltfreundlichen Lösungsmittel klare Vorteile.

Heutzutage stehen zahlreiche Lösungsmittel zur Verfügung, die zur Herstellung von PANI verwendet werden können. Dennoch sind die meisten giftig und mit Standardverfahren zur Herstellung von Massenproduktionsgeräten, wie etwa dem Tintenstrahldruck, nicht kompatibel.

„Wir haben kürzlich über die Verwendung von Ethanol mit einer kleinen Menge Jodzusatz zur Herstellung von Polyanilin berichtet“, sagte Professor Hiromasa Goto, leitender Autor, in einer Pressemitteilung.

„Trotzdem ist Wasser das ultimative umweltfreundliche Lösungsmittel und daher eine noch bessere Option.“

Er sagte, reines Wasser würde nicht funktionieren, da Anilin häufig mithilfe einer Säure und eines Oxidationsmittels in PANI umgewandelt werde. Sulfat und eine große Anzahl an Mineralionen im vulkanischen Quellwasser sind jedoch tatsächlich für die Polymerisation ausreichend. Ziel der Studie war es, diese Idee zu untersuchen.

Durch einfaches Rühren ihrer Mischungen über Nacht bei 0 Grad Celsius konnten die Forscher PANI, nanoskalige PANI-Partikel und PANI/Seiden-Verbundwerkstoffe herstellen. Sie steigerten die Leitfähigkeit des PANI und stellten sicher, dass die Leitfähigkeit nicht von Spurenmineralien herrührte.

„Rasterelektronenmikroskopie zeigt, dass jeder Faden eines hergestellten Seidenstoffs mit PANI beschichtet war und die Form der Fasern unverändert blieb“, erklärte Professor Goto.

„Damit haben wir eine einfache Möglichkeit entwickelt, Textilien so vorzubereiten, dass sie Strom leiten können.“

Diese PANI-Verbundwerkstoffe bieten zahlreiche weitere Einsatzmöglichkeiten. Beispielsweise entfernten die Forscher etwa 75 Prozent der Jodspuren aus einer Wasserprobe, indem sie mit PANI angereichertes Filterpapier verwendeten.

Durch diese Bemühungen gelang die Zubereitung von PANI in vulkanischem Quellwasser bei niedriger Temperatur – vielleicht eine der umweltfreundlichsten Methoden.

Das Team behauptete, dass es einfach sei, den idealen Mineralgehalt, pH-Wert und die ideale Sulfatkonzentration für diese Synthese zu finden, sodass Wasser aus jeder Quelle ein brauchbares Lösungsmittel für die PANI-Produktion sein könne.

Letztendlich sind sie davon überzeugt, dass die Synthese von PANI für die Elektronik als Höhepunkt der grünen Chemie angesehen werden kann, da sie keine Ölabfälle erzeugt und kein Entflammbarkeitsrisiko birgt.

Die vollständige Studie wurde am 17. März in Water Chemistry and Technology veröffentlicht und ist hier zu finden.

Studienzusammenfassung:

Geothermisches Wasser ist eine reichlich vorhandene Ressource, die aus dem Untergrund entspringt und viele Mineralien oder Ionen enthält. Geothermisches Wasser wurde bisher noch nicht für industrielle Zwecke genutzt. In dieser Forschung wurde die Synthese von Polyanilin und Polyanilin/Faser-Verbundwerkstoffen in natürlichem Quellwasser durchgeführt. Anilinsalz kann aus einer Mischung aus Anilin und geothermischem Wasser mit Schwefelsäureionen hergestellt werden. Die chemische Struktur der Produkte wurde mittels Infrarot- und UV-Vis-Spektroskopie bewertet. Es wurden die Fourier-Transformations-Infrarotsignale beobachtet, die sowohl von Benzoloid- als auch Chinonoidstrukturen von Polyanilin abgeleitet waren. UV-Vis-Spektren von Polyanilinen wurden in N-Methyl-2-pyrrolidon gemessen. Es wurden die UV-Vis-Signale des π-π*-Übergangs der Hauptkette sowie Dotierungsbanden als Polaronen (Radikalkationen) und Bipolaronen (Dikationen) des Polyanilins beobachtet. Die Leitfähigkeit wurde mit der 4-Sonden-Methode gemessen. Eine hohe Leitfähigkeit wurde erreicht, wenn geothermisches Wasser mit niedrigem pH-Wert für die Polymerisation von Anilin verwendet wurde. Die Leitfähigkeit wurde mit der Menge an Ammoniumpersulfat in der Reaktion als Initiator für die Polymerisation weiter erhöht. Die Oberflächenstruktur der Polyanilin/Faser-Verbundwerkstoffe wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie beobachtet. Die Struktur der Seidenfasern blieb nach der Verbundstoffsynthese exakt erhalten. Eine Reihe von Synthesen von Polyanilin, einem leitfähigen Polymer in geothermischem Wasser, erfordert keine Zugabe von Schwefelsäure. Diese einfache Synthesemethode könnte zur Integration von Polymersynthese und Geologie führen.