Исследователи из Института передовых наук и технологий Бекмана разработали автоматизированного лабораторного робота для проведения сложных электрохимических экспериментов и анализа данных.

Имея в виду доступность и доступность, исследователи совместно создали настольного робота, который быстро выполняет электрохимию. Этот прибор, получивший удачное название «Электролаборатория», значительно сокращает усилия и время, необходимые для электрохимических исследований, за счет автоматизации многих основных и повторяющихся лабораторных задач.

Электролабораторию можно использовать для исследования материалов для хранения энергии и химических реакций, которые способствуют использованию альтернативных и возобновляемых источников энергии, таких как солнечная или ветровая энергия, которые необходимы для борьбы с изменением климата.

«Мы надеемся, что Электролаборатория позволит сделать новые открытия в области хранения энергии, а также поможет нам поделиться знаниями и данными с другими электрохимиками — и неэлектрохимиками. Мы хотим, чтобы они могли попробовать то, что они не могли раньше», — сказал Хоакин Родригес-Лопес, профессор кафедры химии Иллинойского университета в Урбана-Шампейн.

Междисциплинарную команду возглавляли Родригес-Лопес и Чарльз Шредер, профессор экономики Джеймса на факультете материаловедения и инженерии и профессор химической и биомолекулярной инженерии в UIUC. Их работа опубликована в журнале Device.

Электрохимия – это изучение электричества и его связи с химией. Химические реакции выделяют энергию, которую можно преобразовать в электричество. Прекрасными примерами этого явления являются батарейки, используемые для питания пультов дистанционного управления или электромобилей.

В противоположном направлении электричество также можно использовать для запуска химических реакций. Электрохимия может обеспечить экологически чистую и устойчивую альтернативу многим реакциям, которые в противном случае потребовали бы использования агрессивных химикатов, и она может даже стимулировать химические реакции, которые преобразуют парниковые газы, такие как углекислый газ, в химические вещества, которые могут быть полезны в других отраслях. Это относительно простые демонстрации электрохимии, но растущий спрос на производство и хранение огромных количеств энергии в гораздо больших масштабах в настоящее время является серьезной проблемой.

Один тип батареи, известный как окислительно-восстановительная батарея, используется для хранения энергии на уровне сети и может хранить и подавать энергию во все электрические сети. Батареи, исследованные в ходе этого сотрудничества, используют органические молекулы для хранения энергии и могут быть легко изменены или настроены путем изменения структуры этих молекул. По словам Майкла Пенса, аспиранта лаборатории Родригеса-Лопеса и аспиранта Института Бекмана 2023 года, «основным недостатком изучения условий работы окислительно-восстановительных батарей является то, что требуется много времени и усилий, чтобы определить работающую систему».

Электролаборатория возникла как идея Родригеса-Лопеса и Шредера, основанная на совместном проекте, направленном на развитие науки и технологий в области аккумуляторов. Родригес-Лопес и Шредер собрали междисциплинарную команду, в которую вошли программисты, инженеры и электрохимики. Первоначально идея заключалась в создании микрофабриката, но команда решила сделать приоритет доступностью и переносимостью.

После разработки окончательного проекта Электролаборатории исследовательская группа успешно создала и протестировала доступное устройство, которое легко адаптируется, состоит из обычных деталей и стоит около 1000 долларов США, что является ключевым моментом для его внедрения в лабораториях любого размера. Команда открыто делится планами создания этого инструмента, чтобы все исследователи могли извлечь из него пользу.

Электролаборатория состоит из двух основных компонентов: аппаратного и программного обеспечения. Аппаратное обеспечение состоит из стандартного корпуса 3D-принтера, который был преобразован в робота для обработки решений; микроэлектродные матрицы или электронные чипы; и электрохимическое оборудование. Рама позволяет роботу перемещаться в пределах отведенной зоны над электрохимическими ячейками для дозирования различных жидкостей. Электронные чипы измеряют электрический ток, который необходим для понимания электрохимических измерений.

Программный компонент был создан на Python (бесплатная платформа кодирования с открытым исходным кодом), которая позволяет пользователю подключаться к Electrolab для проведения экспериментов. Программное обеспечение позволяет полностью автоматизировать анализ данных, визуальную графику и построение графиков. В сочетании с машинным обучением Электролаборатория превращается из робота, выполняющего заранее определенные задачи, в робота, который может принимать решения о направлении эксперимента во время его проведения. Обычно электрохимик вручную выбирает интересующие наборы данных для дальнейшего продвижения вперед, но Electrolab использует данные, которые он собирает и анализирует в режиме реального времени, чтобы сделать следующий шаг. Другими словами, Электролаборатория делает эту науку электробыстрой.

Узким местом электрохимической характеристики является время, необходимое для углубленного анализа и характеристики новых молекул и растворов. Это такие задачи, как измерение напряжения, при котором материалы батареи заряжаются и разряжаются, а также определение скорости побочных реакций. Существует почти безграничное количество способов исследовать и настраивать эти системы, но для изучения каждого варианта просто не хватает времени или пропускной способности.

Электролаборатория ускоряет открытие новых материалов и в конечном итоге поможет бороться с изменением климата. Изучение эффективного преобразования энергии и изучение новых материалов для хранения энергии, используемых в окислительно-восстановительных батареях, позволит альтернативным источникам энергии, таким как солнечная или ветровая энергия , стать более практичными. По словам Пенса, в основе всего лежит электрохимия, и именно поэтому Electrolab так важна.

В своей недавно опубликованной статье исследовательская группа подробно описывает функцию Electrolab и сообщает о результатах двух экспериментов, использованных для проверки точности и надежности их робота. Электролаборатория провела более 200 экспериментов в различных условиях, проанализировала данные и даже убрала за собой за 2 часа. Среднестатистическому электрохимику этот эксперимент занял бы 8 часов — в зависимости от уровня кофеина.

Второй эксперимент проверял способность Электролаборатории работать как специалист. Запрограммированная на исследование материала проточной окислительно-восстановительной батареи нового поколения в гораздо более сложном эксперименте по поиску растворов поддерживающих электролитов, Electrolab была модифицирована с использованием меньших по размеру и более чувствительных электродов и настроена на полностью автономную работу. Он выполнил задачи менее чем за четыре часа без вмешательства человека, что позволило исследователям работать над другими проектами и снизить фоновый шум, который часто можно увидеть при тонком электрохимическом анализе.

Помимо исследования новых материалов для аккумуляторов, Электролаборатория обещает исследовать системы, в которых электрохимия управляет химическими реакциями экологически чистым и устойчивым образом. В рамках своего исследования Бекмана Пенс планирует использовать Electrolab для проверки условий окисления распространенных побочных продуктов биомассы и поиска способов преобразования отходов в химические вещества с добавленной стоимостью.