Investigadores del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas han desarrollado un robot de laboratorio automatizado para realizar experimentos electroquímicos complejos y analizar datos.
Teniendo en cuenta la asequibilidad y la accesibilidad, los investigadores crearon en colaboración un robot de mesa que realiza electroquímica rápidamente. Este dispositivo, llamado Electrolab, reduce drásticamente el esfuerzo y el tiempo necesarios para los estudios electroquímicos al automatizar muchas tareas de laboratorio básicas y repetitivas.
Electrolab se puede utilizar para explorar materiales de almacenamiento de energía y reacciones químicas que fomenten el uso de fuentes de energía alternativas y renovables como la solar o la eólica, esenciales para combatir el cambio climático.
«Esperamos que Electrolab permita nuevos descubrimientos en el almacenamiento de energía y al mismo tiempo nos ayude a compartir conocimientos y datos con otros electroquímicos (¡y no electroquímicos! Queremos que puedan probar cosas que antes no podían probar». Joaquín Rodríguez Lópezprofesor del Departamento de Química de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.
El equipo multidisciplinario estuvo codirigido por Rodríguez y López. Carlos Schroeder, Profesor James de Economía en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y Profesor de Ingeniería Química y Biomolecular en UIUC. Su trabajo aparece en la revista. dispositivo.
La electroquímica es el estudio de la electricidad y su relación con la química. Las reacciones químicas liberan energía que puede convertirse en electricidad, y las baterías utilizadas para alimentar los mandos a distancia o los coches eléctricos son ejemplos perfectos de este fenómeno.
En la dirección opuesta, la electricidad también se puede utilizar para impulsar reacciones químicas. La electroquímica puede proporcionar una alternativa sostenible y respetuosa con el medio ambiente a muchas reacciones que de otro modo requerirían el uso de productos químicos agresivos, e incluso puede impulsar reacciones químicas que convierten gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono en productos químicos útiles en otras industrias. Se trata de demostraciones relativamente simples de electroquímica, pero la creciente demanda de generar y almacenar enormes cantidades de energía a una escala mucho mayor es un desafío importante en la actualidad.
Un tipo de batería, conocida como batería de flujo redox, se utiliza para el almacenamiento a nivel de red y puede almacenar energía y entregarla a redes eléctricas completas. Las baterías exploradas a través de esta colaboración utilizan moléculas orgánicas para almacenar energía y pueden cambiarse o ajustarse fácilmente cambiando la estructura de esas moléculas. El principal inconveniente de explorar las condiciones de las baterías de flujo redox es que se necesita mucho tiempo y esfuerzo para determinar qué sistema funciona, dijo Michael Pence, estudiante graduado en el laboratorio de Rodríguez-López y uno de los investigadores en el campo de las baterías redox. 2023 Becario graduado del Instituto Beckman.
Electrolab comenzó como una idea entre Rodríguez-López y Schroeder basada en un proyecto de colaboración financiado por el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía, el centro de innovación energética del Departamento de Energía de EE. UU. centrado en el avance de la ciencia y la tecnología de las baterías. Rodríguez-López y Schroeder formaron un equipo multidisciplinario que incluía programadores, ingenieros y electroquímicos. Inicialmente, la idea era crear un diseño cuidadosamente elaborado, pero el equipo decidió priorizar la accesibilidad y la portabilidad.
Después de crear el diseño final de Electrolab, el grupo de investigación creó y probó con éxito un dispositivo asequible y altamente adaptable, hecho de piezas comunes, cuya construcción cuesta alrededor de $ 1,000 y es esencial para su adopción en laboratorios de todos los tamaños. El equipo comparte abiertamente los planes de construcción de esta herramienta, para que todos los investigadores puedan beneficiarse de ella.
Hay dos componentes principales de Electrolab: hardware y software. El dispositivo consta de un marco de impresora 3D estándar convertido en un robot para manipular las soluciones; conjuntos de microelectrodos o microchips; y dispositivos electroquímicos. El marco permite que el robot se mueva dentro de un área específica sobre celdas electroquímicas para dispensar diferentes fluidos. Los microchips miden la corriente eléctrica, lo cual es esencial para comprender las mediciones electroquímicas.
El componente de software está integrado en Python (una plataforma de codificación de código abierto y gratuita) que permite al usuario conectarse al Electrolab para realizar experimentos. El software permite un análisis de datos, gráficos visuales y planificación totalmente automatizados. Cuando se combina con el aprendizaje automático, Electrolab se transforma de un robot que completa tareas predefinidas a un robot que puede tomar decisiones sobre la dirección de un experimento a medida que ocurre. Normalmente, un electroquímico selecciona conjuntos de datos importantes para avanzar, pero Electrolab utiliza los datos que recopila y analiza en tiempo real para dar el siguiente paso. En otras palabras, Electrolab hace que esta ciencia sea eléctrica y rápida.
El cuello de botella para la caracterización electroquímica es el tiempo necesario para el análisis y la caracterización en profundidad de nuevas moléculas y soluciones. Se trata de tareas como medir los voltajes a los que se cargan y descargan los materiales de la batería y conocer la velocidad de las reacciones secundarias. Hay formas casi ilimitadas de explorar y modificar estos sistemas, pero simplemente no hay suficiente tiempo ni ancho de banda para explorar todas las opciones.
Electrolab acelera el descubrimiento de nuevos materiales y, en última instancia, ayudará a luchar contra el cambio climático. Estudiar la conversión eficiente de energía y explorar nuevos materiales de almacenamiento de energía utilizados en baterías de flujo redox permitiría que fuentes de energía alternativas como la solar o la eólica se volvieran más prácticas. La electroquímica está en el centro de todo esto, razón por la cual Electrolab es tan importante, dice Pence.
En su artículo publicado recientemente, el equipo de investigación describe en detalle la funcionalidad de Electrolab e informa los resultados de dos experimentos que se utilizaron para probar la precisión y robustez de su robot. Electrolab realizó más de 200 experimentos en múltiples condiciones, analizó los datos e incluso los limpió en dos horas. Este experimento le habría llevado a un electroquímico medio 8 horas, dependiendo de su nivel de cafeína.
El segundo experimento puso a prueba la capacidad de Electrolab para actuar como especialista. Programado para observar material de batería de flujo redox de próxima generación en un tipo de experimento más exigente para encontrar soluciones de electrolitos de apoyo, el Electrolab ha sido modificado con electrodos más pequeños y sensibles y está configurado para funcionar de forma completamente autónoma. Las tareas se completaron en menos de cuatro horas sin intervención humana, lo que permitió a los investigadores trabajar en otros proyectos y reducir el ruido de fondo que a menudo se puede observar en análisis electroquímicos precisos.
Más allá de explorar nuevos materiales para baterías, Electrolab se muestra prometedor en la exploración de sistemas en los que la electroquímica impulsa reacciones químicas de una manera ecológica y sostenible. Como parte de la investigación de Beckman, Pence planea utilizar Electrolab para examinar las condiciones de oxidación de subproductos comunes de la biomasa y encontrar formas de convertir materiales de desecho en productos químicos de valor agregado.
Nota del editor:
Se puede acceder en línea a la publicación titulada “The Electrolab: Una plataforma modular de código abierto para la caracterización automatizada de electrolitos activos redox” en https://doi.org/10.1016/j.device.2023.100103.
Esta investigación fue apoyada financieramente por el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía, un centro de innovación energética financiado por la Oficina de Ciencias, Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU.
Contacto con los medios: Gina Kurtzweil, [email protected]
Título del artículo
The Electrolab: una plataforma modular de código abierto para la caracterización automatizada de electrolitos activos redox
Fecha de publicación del artículo.
10-octubre-2023
declaración COI
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
Descargo de responsabilidad: AAAS y EurekAlert! ¡No somos responsables de la exactitud de los boletines publicados en EurekAlert! A través de instituciones contribuyentes o para utilizar cualquier información a través del sistema EurekAlert.
«Fanático del café. Amable aficionado a los zombis. Devoto practicante de la cultura pop. Malvado defensor de los viajes. Organizador típico».