07/11/2023
Door Ad Spijkers
Amerikaanse onderzoekers ontwikkelden een betaalde robot om autonoom elektrochemische experimenten in het laboratorium uit te voeren.
Onderzoekers van het Beckman Institute for Advanced Science and Technology ontwikkelden een laboratoriumrobot om complexe elektrochemische experimenten uit te voeren en data te analyseren. Het zogenoemde Electrolab zal worden gebruikt om energieopslagmaterialen van de volgende generatie en chemische reacties te onderzoeken die alternatieve en duurzame energie bevorderen. Het Beckman- instituut is onderdeel van de University of Illinois in Champaign (220 km zuidelijk van Chicago)
Elektrochemie
Elektrochemie is de studie van elektriciteit en de relatie ervan met de chemie. Bij chemische reacties komt energie vrij die kan worden omgezet in elektriciteit. Batterijen voor afstandsbedieningen of elektrische voertuigen zijn perfecte voorbeelden van dit fenomeen.
Omgekeerd kan elektriciteit worden gebruikt om chemische reacties op gang te brengen. Elektrochemie kan een groen en duurzaam alternatief bieden voor veel reacties waarvoor anders het gebruik van agressieve chemicaliën nodig zou zijn. Elektrochemie kan zelfs chemische reacties aansturen die broeikasgassen zoals kooldioxide omzetten in chemicaliën die nuttig zijn in andere industrieën. Dit zijn relatief eenvoudige demonstraties van elektrochemie, maar de groeiende vraag naar het opwekken en opslaan van enorme hoeveelheden energie op veel grotere schaal is momenteel een prominente uitdaging.
Tafelrobot
Met het oog op betaalbaarheid en toegankelijkheid creëerden de onderzoekers een tafelrobot die snel elektrochemie uitvoert. Het instrument vermindert de inspanning en tijd die nodig is voor elektrochemische onderzoeken aanzienlijk door veel basale en repetitieve laboratoriumtaken te automatiseren. Het Electrolab kan worden gebruikt om materialen voor energieopslag en chemische reacties te onderzoeken die het gebruik van alternatieve en hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- of windenergie bevorderen, die essentieel zijn voor het tegengaan van de klimaatverandering.
De onderzoekers hopen dat de robot nieuwe ontdekkingen op het gebied van energieopslag mogelijk zal maken. Tegelijkertijd moet het instrument helpen kennis en data te delen met andere elektrochemici, en ook niet-elektrochemici. De onderzoekers willen dat anderen dingen kunnen proberen die ze voorheen niet konden.
Eén type batterij, bekend als een redox-flow-batterij, wordt gebruikt voor opslag op netniveau en kan stroom opslaan en naar hele elektriciteitsnetwerken brengen. De batterijen die door deze samenwerking worden onderzocht, gebruiken organische moleculen om energie op te slaan. Deze kunnen gemakkelijk worden gewijzigd of afgestemd door de structuur van die moleculen te veranderen. Een groot nadeel van het onderzoeken van redox-flow-batterijcondities is dat het veel tijd en moeite kost om een systeem te identificeren dat werkt.
Betaalbare robot
Het Electrolab begon als samenwerkingsproject van een energie-innovatiehub van het Department of Energy, gericht op het bevorderen van batterijwetenschap en -technologie. Het interdisciplinaire onderzoeks team bestaat uit programmeurs, ingenieurs en elektrochemici. Aanvankelijk was het idee om een microgefabriceerd ontwerp te maken, maar het team besloot prioriteit te geven aan toegankelijkheid en overdraagbaarheid.
Na het definitieve ontwerp van het Electrolab te hebben vastgesteld, heeft de onderzoeksgroep een betaalbaar apparaat gemaakt en getest dat aanpasbaar en etaalbaar is. Het is gemaakt van standaard onderdelen en kost ongeveer $ 1.000 om te bouwen, wat essentieel is voor de acceptatie ervan door laboratoria van elke omvang. Het team deelt openlijk bouwplannen voor dit instrument, zodat alle onderzoekers ervan kunnen profiteren.
Hardware en software
Er zijn twee hoofdcomponenten van het Electrolab: hardware en software. De hardware bestaat uit een standaard 3D-printerframe dat is omgevormd tot een robot die oplossingen verwerkt, micro-gefabriceerde elektrode-arrays of eChips, en elektrochemische hardware. Dankzij het frame kan de robot binnen een aangewezen gebied boven elektrochemische cellen bewegen om verschillende vloeistoffen af te geven. De eChips meten de elektrische stroom die nodig is voor het begrijpen van de elektrochemische metingen.
De softwarecomponent waarmee de gebruiker verbinding kan maken met Electrolab om experimenten uit te voeren, is geschreven in Python. De software maakt volledig geautomatiseerde data-analyse, visuele graphics en plotten mogelijk. In combinatie met machine learning transformeert het Electrolab van een robot die vooraf bepaalde taken voltooit naar een robot die beslissingen kan nemen over de richting van het experiment terwijl het plaatsvindt.
Normaal gesproken selecteert een elektrochemicus de datasets die van belang zijn om verder te komen. Het Electrolab echter gebruikt de data die het in real-time verzamelt en analyseert deze om de volgende stap te zetten.
Knelpunten en perspectieven
Het knelpunt bij elektrochemische karakterisering is de tijd die nodig is voor diepgaande analyse en karakterisering van nieuwe moleculen en oplossingen. Dit zijn taken zoals het meten van spanningen waarbij batterijmaterialen worden opgeladen en ontladen en het berekenen van de snelheid van nevenreacties. Er zijn vrijwel onbeperkte manieren om deze systemen te verkennen en aan te passen, maar er is eenvoudigweg niet genoeg tijd of bandbreedte om elke optie te verkennen.
Het Electrolab versnelt de ontdekking van nieuwe materialen en zal uiteindelijk de klimaatverandering helpen bestrijden. Het bestuderen van efficiënte energieconversie en het onderzoeken van nieuwe energieopslagmaterialen die worden gebruikt in redox-flow-batterijen zouden het mogelijk maken dat alternatieve energiebronnen zoals zonne- of windenergie praktischer worden. De kern van alles is elektrochemie en dat maakt Electrolab belangrijk.
Behalve voor het verkennen van nieuwe batterijmaterialen is het Electrolab veelbelovend voor het verkennen van systemen waarbij elektrochemie chemische reacties op een groene en duurzame manier aanstuurt. De onderzoekers willen het Electrolab te gebruiken om de omstandigheden voor oxidatie van veel voorkomende bijproducten van biomassa te screenen. Ook willen ze manieren vinden om afvalmaterialen om te zetten in chemicaliën met toegevoegde waarde.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.