Une équipe de recherche a développé une nouvelle méthode pour accélérer la découverte de matériaux abordables et stables qui soutiennent la production d'hydrogène propre. Leur approche pourrait aider à faire de l'hydrogène – une source d'énergie propre prometteuse – plus largement accessible en réduisant la dépendance à des métaux nobles coûteux.
L'œuvre est publiée dans le Journal de l'American Chemical Society.
L'hydrogène peut être produit par le fractionnement de l'eau, un processus qui utilise l'électricité pour briser les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène. Ce processus implique deux réactions clés: la réaction d'évolution de l'oxygène (OER) et la réaction d'évolution de l'hydrogène (elle).
Alors que certains oxydes métalliques – complices en métaux et en oxygène – ont montré un potentiel en tant que catalyseurs à faible coût, ils se dégradent souvent dans les environnements acides généralement utilisés pour le fractionnement de l'eau industrielle.
Pour relever ce défi, l'équipe a conçu un cadre de recherche en boucle fermée qui rassemble plusieurs étapes du développement du catalyseur. Cela comprend l'identification des candidats prometteurs en utilisant l'analyse des données, le test de leur comportement dans des conditions de fonctionnement réelles et la confirmation de leurs performances par le biais d'expériences en laboratoire. Toutes les étapes sont connectées via un système numérique qui permet l'apprentissage et l'amélioration continus.
« Au cœur de notre travail se trouve une plate-forme basée sur les données appelée Digcat », explique Hao Li, professeur à l'Institut avancé de recherche sur les matériaux de l'Université Tohoku (WPI-AIMR). « Il nous aide à explorer efficacement un large éventail de matériaux en prédisant comment leurs surfaces se comportent pendant la division de l'eau, ce qui est souvent la clé de leur efficacité. »
En utilisant cette approche, les chercheurs ont identifié un composé appelé RBSBWO6 comme catalyseur particulièrement prometteur. Il a montré de fortes performances pour l'OR et elle dans des conditions acides – quelque chose qui est rare pour les oxydes métalliques non modifiés à faible coût. Notamment, le matériau est resté structurellement stable même après une utilisation prolongée, une exigence clé pour les applications pratiques.
Les chercheurs soulignent que l'ensemble du processus – du dépistage de l'ordinateur à la validation du laboratoire – a connu la puissance de combiner les outils numériques avec des travaux expérimentaux.
« Nous ne recherchons pas seulement de meilleurs matériaux », explique Li. « Nous créons également une façon plus intelligente de les trouver. »
Au-delà du fractionnement de l'eau, le cadre de l'équipe peut également être adapté à d'autres réactions chimiques importantes, telles que la conversion du dioxyde de carbone en carburants utiles ou la production d'ammoniac à partir d'azote. Ces réactions sont au cœur de l'énergie durable et des technologies environnementales.
La phase suivante de la recherche consiste à étendre la base de données de l'état de surface et à appliquer la méthode à d'autres systèmes de matériaux.
« En apprenant davantage sur le comportement des surfaces lors des réactions, nous pouvons découvrir un potentiel caché dans des matériaux qui étaient auparavant négligés », explique Li.
L'équipe espère que cette stratégie accélérera les progrès vers des solutions abordables et efficaces pour la transition énergétique mondiale.
