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Towards Replacement of Critical Catalyst Materials by Improved Nanoparticle Control and Rational Design

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Des matériaux abondants sur Terre pour catalyser la production d’énergie verte?

Le projet CritCat a peut-être fait d’une pierre deux coups. En remplaçant des métaux rares par des matériaux abondants sur Terre dans les réactions catalytiques, son équipe propose une voie vers une empreinte carbone réduite et un coût de production moins élevé pour l’industrie chimique, tout en augmentant la viabilité des nouvelles technologies de conversion de l’énergie.

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C’est l’un des plus grands paradoxes de la société: la volonté politique d’économiser les ressources et de préserver le climat alors que les technologies les plus populaires sont gourmandes en énergie et dépendent de ressources et de matériaux rares. Les smartphones et leur dépendance aux métaux de terres rares en sont un exemple courant. Mais il en va de même pour les catalyseurs – des substances qui augmentent la vitesse des réactions chimiques et qui s’avèrent constituer la clé des technologies de conversion de l’énergie verte. Le problème des catalyseurs était au cœur du projet CritCat (Towards Replacement of Critical Catalyst Materials by Improved Nanoparticle Control and Rational Design). Son objectif: remplacer les métaux critiques rares utilisés dans la catalyse hétérogène et électrochimique (généralement des métaux du groupe du platine (MGP)) par des matériaux disponibles en abondance sur Terre. Pendant trois ans, le consortium du projet a examiné les propriétés de nanoparticules ultra-petites de métaux de transition (MT) pour favoriser des technologies émergentes de conversion de l’énergie. Pour ce faire, l’équipe a successivement décomposé l’eau en hydrogène et en oxygène pour identifier les alternatives aux MGP catalytiques parmi les métaux de transition, a synthétisé des échantillons, les a caractérisés et les a utilisés dans des réactions chimiques de référence pour mesurer leur activité catalytique. Enfin, ils ont développé des prototypes d’électrolyseurs à partir des candidats les plus prometteurs pour étudier leurs performances.

La fin des expérimentations par tâtonnements?

Le caractère innovant du projet ne réside toutefois pas uniquement dans l’identification de nouveaux matériaux moins coûteux. Au lieu d’utiliser le processus traditionnel d’expérimentations par tâtonnements en laboratoire, l’équipe a opté pour l’intelligence artificielle et les simulations informatiques, sous la forme d’une plateforme de modélisation des matériaux pour la conception de catalyseurs. «Nous fournissons un écosystème complet allant des simulations de structures électroniques (théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT)) aux réactions réelles, et nous incorporons des algorithmes d’apprentissage automatique pour rationaliser et traiter des surfaces d’énergie potentielle (SEP) complexes pour l’énergétique de réaction», explique Jaakko Akola, coordinateur de CritCat au nom de l’Université de Tampere. Il poursuit: «La plateforme nécessite d’abord des données d’entrée issues de la DFT, afin que les algorithmes puissent être formés pour prédire les SEP. L’étape suivante consiste à introduire d’autres algorithmes d’apprentissage automatique pour identifier les propriétés caractéristiques (descripteurs) qui sont intimement liées à l’activité catalytique. À mesure que la base de données DFT s’accroît, la capacité de la plateforme à prédire les propriétés des nouveaux matériaux augmente également.»

Vers des solutions énergétiques basées sur l’hydrogène

Le prototype d’électrolyseur du projet est une étape importante vers la production d’énergie verte à base de matériaux disponibles en abondance sur Terre. Il pourrait éventuellement résoudre, par exemple, le problème du caractère intermittent de l’approvisionnement en énergie solaire/éolienne en convertissant l’électricité en hydrogène. La plateforme de modélisation du projet, quand à elle, n’a pas non plus encore révélé tout son potentiel. Premièrement – bien que la plateforme de modélisation ne soit pas encore plus efficace que l’expérimentation par tâtonnements –, il est très prometteur que sa capacité de prédiction augmente à mesure que la base de données des matériaux étudiés est alimentée et que les outils d’apprentissage automatique se développent. Les connaissances chimiques acquises peuvent également être réutilisées ultérieurement, ce qui n’est pas le cas dans le cadre d’une méthode d’expérimentation par tâtonnements. Deuxièmement, l’équipe n’a fait qu’effleurer la surface des applications potentielles, comme le souligne Jaakko Akola: «La plateforme a été conçue avant tout pour la réaction de dégagement d’hydrogène (HER), qui est pertinente pour la production d’énergie hydrogène par décomposition de l’eau. Cependant, notre objectif a été de produire une infrastructure de modélisation qui peut être facilement appliquée à d’autres réactions chimiques – tant en phase gazeuse qu’en électrochimie.» C’est précisément ce sur quoi l’équipe du projet travaille depuis la fin du projet CritCat en juin 2019. Elle travaille actuellement sur des catalyseurs et des prototypes de dispositifs destinés aux piles à combustible, ainsi que sur la conversion du CO2 en carburants synthétiques.

Mots‑clés

CritCat, catalyseur, métal rare, abondant sur Terre, MPG, métal de transition, hydrogène, conversion de l’énergie, plateforme de modélisation

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