Un catalyseur moins cher pour la production d’énergie à partir d’hydrogène
Grâce à sa combinaison unique d’évolutivité, de stockage à long terme et de portabilité, l’hydrogène s’est imposé comme une source prometteuse d’énergie renouvelable. Mais pour concrétiser cette promesse, nous devons d’abord être capable de produire de l’hydrogène à partir de l’eau et de l’énergie à partir de l’hydrogène, mais aussi de le faire de manière rentable. Telle est l’ambition du projet HighHydrogenML(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par l’UE. «Notre objectif est de trouver des matériaux bon marché et sans danger qui peuvent servir de catalyseurs pour deux des principales réactions impliquées dans la production d’hydrogène et la génération d’énergie, à savoir la réaction d’évolution de l’hydrogène et la réaction de réduction de l’oxygène», explique Valentin Vassilev-Galindo(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), le postdoctorant du programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) qui codirige le projet au IMDEA Materials Institute(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre).
Découvrir de potentiels nouveaux catalyseurs
Selon Valentin Vassilev-Galindo, la réaction d’évolution de l’hydrogène (REH) et la réaction de réduction de l’oxygène (RRO) sont généralement catalysées à l’aide de matériaux à base de platine (Pt). «Le problème avec ces matériaux, c’est qu’ils sont assez chers», explique-t-il. «Comme alternative, nous avons combiné la chimie computationnelle et l’intelligence artificielle pour proposer de nouveaux catalyseurs plus rentables pour la REH et la RRO.» Plus précisément, les chercheurs ont effectué des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT, pour Density Functional Theory) pour obtenir un ensemble de données sur les énergies d’adsorption des adsorbates impliqués dans la REH et la RRO pour une gamme de matériaux. La DFT est une méthode de calcul utilisée en chimie quantique pour étudier la structure électronique des systèmes à N corps tels que les atomes, les molécules et les solides. L’adsorption est le processus par lequel des molécules, des atomes ou des ions adhèrent à la surface d’un matériau, contrairement à l’absorption, où ils pénètrent dans la masse du matériau. Cet ensemble de données a ensuite été utilisé pour entraîner des modèles d’apprentissage automatique afin de prédire les énergies d’adsorption avec une précision DFT à un coût de calcul bien inférieur. Les modèles ont ensuite été utilisés pour passer au crible une liste de matériaux inconnus afin de sélectionner ceux qui présentent des énergies d’adsorption similaires à celles du Pt. «Ces prédictions nous ont permis de trouver de nouveaux catalyseurs potentiels qui ont été synthétisés et testés par des collègues expérimentateurs, le meilleur atteignant 71 % de l’efficacité du Pt pour la REH», ajoute Valentin Vassilev-Galindo.
Faire appel à l’IA pour découvrir de nouveaux matériaux
Le projet a également développé une stratégie d’intelligence artificielle explicable (XAI) pour découvrir de nouveaux matériaux qui pourraient servir de catalyseurs pour la REH et la RRO. «Jusqu’à présent, toutes les méthodes basées sur l’IA étaient uniquement axées sur la recherche de matériaux présentant les propriétés souhaitées», confie Valentin Vassilev-Galindo. «Désormais, grâce à notre stratégie de XAI, nous pourrions appréhender ce qui rend un certain matériau meilleur que les autres et acquérir une compréhension chimique et physique sans précédent des propriétés des matériaux.»
Faire de l’énergie hydrogène une réalité
Les travaux menés dans le cadre de ce projet constituent une étape importante vers la généralisation de l’utilisation de l’énergie hydrogène. «HighHydrogenML est l’une des pièces d’un grand puzzle qui fournira à terme une énergie durable grâce à une économie de l’hydrogène efficace et abordable», conclut Valentin Vassilev-Galindo. Celui-ci prévoit de continuer à développer et à appliquer des approches XAI pour relever les défis de la chimie computationnelle, mais aussi pour acquérir de nouvelles connaissances sur la chimie et la physique des molécules et des matériaux. Il espère que ces travaux généreront des connaissances et des découvertes qui auront un impact positif sur l’industrie, la santé, l’environnement et la société en général.