Des chercheurs développent un robotic électrochimique autonome et personnalisable

Des chercheurs du Beckman Institute for Complex Science and Generation ont développé un robotic de laboratoire automatisé pour réaliser des expériences électrochimiques complexes et analyser les données.

Dans un souci d’abordabilité et d’accessibilité, les chercheurs ont créé en collaboration un robotic de desk qui effectue rapidement de l’électrochimie. Appelé Electrolab, cet appareil réduit considérablement les efforts et le temps requis pour les études électrochimiques en automatisant de nombreuses tâches de laboratoire basiques et répétitives.

Electrolab peut être utilisé pour explorer les matériaux de stockage d’énergie et les réactions chimiques qui encouragent l’utilisation de assets d’énergie possible choices et renouvelables telles que l’énergie solaire ou éolienne, essentielles pour lutter contre le changement climatique.

“Nous espérons qu’Electrolab permettra de nouvelles découvertes dans le domaine du stockage d’énergie tout en nous aidant à partager des connaissances et des données avec d’autres électrochimistes et non-électrochimistes”, a déclaré Joaquín Rodríguez Lopez. “Nous voulons qu’ils puissent essayer des choses qu’ils ne pourraient pas faire. essayez avant. Professeur au Département de chimie de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.

L’équipe interdisciplinaire était codirigée par Rodriguez Lopez et Charles Schroeder, professeur d’économie JCU au Département de science et d’ingénierie des matériaux et professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’UIUC. Leur travail apparaît dans le mag appareil.

L’électrochimie est l’étude de l’électricité et de sa relation avec l. a. chimie. Les réactions chimiques libèrent de l’énergie qui peut être convertie en électricité, et les batteries utilisées pour alimenter les appareils télécommandés ou les véhicules électriques sont de parfaits exemples de ce phénomène.

Dans le sens inverse, l’électricité peut également être utilisée pour déclencher des réactions chimiques. L’électrochimie peut fournir une selection écologique et sturdy à de nombreuses réactions qui nécessiteraient autrement l’utilisation de produits chimiques agressifs, et elle peut même déclencher des réactions chimiques qui convertissent les gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone en produits chimiques utiles dans d’autres industries. Il s’agit de démonstrations électrochimiques relativement simples, mais l. a. demande croissante de génération et de stockage d’énormes quantités d’énergie à une échelle beaucoup plus grande constitue aujourd’hui un défi majeur.

Un kind de batterie, connu sous le nom de batterie à flux redox, est utilisé pour le stockage au niveau du réseau et peut stocker de l’énergie et l. a. fournir à des réseaux électriques entiers. Les batteries explorées dans le cadre de cette collaboration utilisent des molécules organiques pour stocker l’énergie et peuvent être facilement modifiées ou ajustées en modifiant l. a. construction de ces molécules. Le fundamental inconvénient de l’exploration des stipulations de l. a. batterie à flux redox est qu’il faut beaucoup de temps et d’efforts pour déterminer quel système fonctionne, a déclaré Michael Pence, étudiant diplômé du laboratoire de Rodriguez-López et boursier diplômé de l’Institut Beckman en 2023.

Electrolab est né d’une idée entre Rodríguez-López et Schroeder basée sur un projet de collaboration axé sur l’avancement de l. a. science et de l. a. technologie des batteries. Rodriguez-Lopez et Schroeder ont constitué une équipe multidisciplinaire composée de programmeurs, d’ingénieurs et d’électrochimistes. Au départ, l’idée était de créer un design soigneusement conçu, mais l’équipe a décidé de donner l. a. priorité à l’accessibilité et à l. a. portabilité.

Après avoir créé l. a. conception finale d’Electrolab, le groupe de recherche a créé et testé avec succès un dispositif abordable et hautement adaptable, composé de pièces communes, coûtant environ 1 000 greenbacks à construire et essentiel pour son adoption par les laboratoires de toutes tailles. L’équipe partage ouvertement les plans de development de cet outil, afin que tous les chercheurs puissent en bénéficier.

Electrolab comporte deux composants principaux : le matériel et le logiciel. L’appareil se compose d’un châssis d’imprimante 3D usual transformé en robotic pour gérer les answers ; des réseaux de microélectrodes ou micropuces ; et les appareils électrochimiques. Le châssis permet au robotic de se déplacer dans une zone spécifique sur des cellules électrochimiques pour distribuer différents fluides. Les micropuces mesurent le courant électrique, ce qui est essentiel à l. a. compréhension des mesures électrochimiques.

Le composant logiciel est construit en Python (une plate-forme de codage gratuite et open supply) qui permet à l’utilisateur de se connecter à Electrolab pour effectuer des expériences. Le logiciel permet une analyse des données, des graphiques visuels et une planification entièrement automatisés. Lorsqu’il est combiné à l’apprentissage automatique, Electrolab passe d’un robotic qui accomplit des tâches prédéfinies à un robotic succesful de prendre des décisions sur l. a. route d’une expérience au fur et à mesure qu’elle se déroule. En règle générale, un électrochimiste sélectionne des ensembles de données importants à l’avenir, mais Electrolab utilise les données qu’il collecte et analyse en temps réel pour passer à l’étape suivante. En d’autres termes, Electrolab rend cette science électrique et rapide.

Le goulot d’étranglement de l. a. caractérisation électrochimique est le temps nécessaire à l’analyse et à l. a. caractérisation approfondies de nouvelles molécules et answers. Il s’agit de tâches telles que mesurer les tensions auxquelles les matériaux des batteries sont chargés et déchargés et connaître l. a. vitesse des réactions secondaires. Il existe des façons presque illimitées d’explorer et de modifier ces systèmes, mais il n’y a tout simplement pas assez de temps ni de bande passante pour explorer toutes les choices.

Electrolab accélère l. a. découverte de nouveaux matériaux et contribuera à terme à lutter contre le changement climatique. L’étude d’une conversion efficace de l’énergie et l’exploration de nouveaux matériaux de stockage d’énergie utilisés dans les batteries à flux redox permettraient aux assets d’énergie possible choices telles que l’énergie solaire ou éolienne de devenir plus pratiques. L’électrochimie est au cœur de tout cela, dit Pence, c’est pourquoi l’Electrolab est si vital.

Dans leur article récemment publié, l’équipe de recherche décrit en détail les fonctionnalités d’Electrolab et rapporte les résultats de deux expériences utilisées pour tester l. a. précision et l. a. robustesse de leur robotic. Electrolab a réalisé plus de 200 expériences dans plusieurs stipulations, analysé les données et les a même nettoyées lui-même en deux heures. Cette expérience aurait pris 8 heures pour un électrochimiste moyen, en fonction de son taux de caféine.

L. a. deuxième expérience a testé l. a. capacité d’Electrolab à agir en tant que spécialiste. Programmé pour examiner les matériaux des batteries à flux redox de nouvelle génération dans le cadre d’un kind d’expérience plus exigeant visant à trouver des answers électrolytiques de fortify, l’Electrolab a été modifié avec des électrodes plus petites et plus sensibles et est configuré pour fonctionner de manière totalement autonome. Il a accompli les tâches en moins de quatre heures sans aucune intervention humaine, permettant aux chercheurs de travailler sur d’autres projets et de réduire le bruit de fond souvent visual lors d’analyses électrochimiques précises.

Au-delà de l’exploration de nouveaux matériaux pour les batteries, Electrolab se montre prometteur pour l’exploration de systèmes dans lesquels l’électrochimie entraîne des réactions chimiques de manière verte et sturdy. Dans le cadre des recherches de Beckman, Pence prévoit d’utiliser Electrolab pour examiner les stipulations d’oxydation des sous-produits courants de l. a. biomasse et trouver des moyens de convertir les déchets en produits chimiques à valeur ajoutée.