Problème de l’iridium de l’hydrogène propre? Résolu dans un après-midi avec une nouvelle mégalibrary

Pendant des décennies, les chercheurs du monde entier ont recherché des alternatives à l’iridium, un métal extrêmement rare et incroyablement cher utilisé dans la production de carburants hydrogène propres.

Maintenant, un nouvel outil puissant en a trouvé un – en un seul après-midi.

Inventé et développé à la Northwestern University, cet outil est appelé mégalibrary. La première «usine de données» du monde au monde, chaque mégalibrary contient des millions de nanoparticules de conception unique sur une petite puce.

En collaboration avec des chercheurs du Toyota Research Institute (TRI), l’équipe a utilisé cette technologie pour découvrir des catalyseurs commercialement pertinents pour la production d’hydrogène. Ensuite, ils ont augmenté le matériau et ont démontré que cela pouvait fonctionner dans un appareil, le tout en temps record.

Avec une mégalibrary, les scientifiques ont rapidement dépisté de vastes combinaisons de quatre métaux abondants et peu coûteux – chacun connu pour sa performance catalytique – pour trouver un nouveau matériau avec des performances comparables à l’iridium. L’équipe a découvert un matériau entièrement nouveau qui, dans les expériences de laboratoire, correspondait ou, dans certains cas, a même dépassé les performances des matériaux commerciaux à base d’iridium, mais à une fraction du coût.

Cette découverte ne fait pas que de l’hydrogène vert abordable une possibilité; Cela prouve également l’efficacité de la nouvelle approche de mégalibrary, ce qui pourrait complètement changer la façon dont les chercheurs trouvent de nouveaux matériaux pour un certain nombre d’applications. L’étude est publiée dans le Journal de l’American Chemical Society.

“Nous avons sans doute déclenché l’outil de synthèse le plus puissant du monde, qui permet de rechercher l’énorme nombre de combinaisons disponibles pour les chimistes et les scientifiques des matériaux pour trouver des matériaux qui comptent”, a déclaré le Chad A. Mirkin de Northwestern, l’auteur principal de l’étude et l’inventeur principal de la plate-forme mégalibrary.

“Dans ce projet particulier, nous avons canalisé cette capacité vers un problème majeur auquel est confronté le secteur de l’énergie.

Pionnier de la nanotechnologie, Mirkin est le professeur de chimie de George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern; Professeur de génie chimique et biologique, d’ingénierie biomédicale et de sciences et d’ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering; et directeur exécutif de l’Institut international de nanotechnologie.

Mirkin a co-dirigé le travail avec Ted Sargent, le professeur de chimie de Lynn Hopton Davis et Greg Davis chez Weinberg, professeur de génie électrique et informatique chez McCormick et directeur exécutif du Paula M. Triens pour la durabilité et l’énergie.

‘Pas assez d’iridium dans le monde’

Alors que le monde s’éloigne des combustibles fossiles et vers la décarbonisation, l’hydrogène vert abordable est devenu une pièce critique du puzzle. Pour produire de l’énergie hydrogène propre, les scientifiques se sont tournés vers la division de l’eau, un processus qui utilise l’électricité pour diviser les molécules d’eau en leurs deux composants constitutifs: l’hydrogène et l’oxygène.

La partie à l’oxygène de cette réaction, appelée réaction d’évolution de l’oxygène (OER), est cependant difficile et inefficace. L’OER est plus efficace lorsque les scientifiques utilisent des catalyseurs à base d’iridium, qui ont des inconvénients importants. L’iridium est rare, coûteux et souvent obtenu comme sous-produit de l’exploitation de platine. Plus de valeur que l’or, l’iridium coûte près de 5 000 $ par once.

“Il n’y a pas assez d’iridium dans le monde pour répondre à tous nos besoins prévus”, a déclaré Sargent. “Alors que nous pensons à diviser l’eau pour générer d’autres formes d’énergie, il n’y a pas assez d’iridium du point de vue purement de l’offre.”

“ L’armée complète déployée sur une puce ”

Mirkin, qui a présenté les mégalibraires en 2016, a décidé avec Sargent que trouver de nouveaux candidats pour remplacer Iridium était une application parfaite pour son outil révolutionnaire. Bien que la découverte des matériaux soit traditionnellement une tâche lente et intimidante remplie d’essais et d’erreurs, les mégalibraires permettent aux scientifiques de localiser des compositions optimales à des vitesses vertigineuses.

Il est temps de vraiment trouver les meilleurs matériaux pour chaque besoin – sans compromis. “

Chaque mégalibrary est créée avec des tableaux de centaines de milliers de minuscules conseils en forme de pyramide pour imprimer des “points” individuels sur une surface. Chaque point contient un mélange de sels métalliques intentionnellement conçus. Lorsqu’ils sont chauffés, les sels métalliques sont réduits pour former des nanoparticules uniques, chacune avec une composition et une taille précises.

“Vous pouvez considérer chaque astuce comme une petite personne dans un petit laboratoire”, a déclaré Mirkin. “Au lieu d’avoir une petite personne à faire une structure à la fois, vous avez des millions de personnes. Donc, vous avez essentiellement une armée de chercheurs complète sur une puce.”

Et le gagnant est…

Dans la nouvelle étude, la puce contenait 156 millions de particules, chacune fabriquée à partir de différentes combinaisons de ruthénium, de cobalt, de manganèse et de chrome. Un scanner robotique a ensuite évalué à quel point les particules les plus prometteuses pouvaient effectuer un REL. Sur la base de ces tests, Mirkin et son équipe ont sélectionné les candidats les plus performants pour subir d’autres tests en laboratoire.

Finalement, une composition s’est démarquée: une combinaison précise des quatre métaux (Ru₅₂Co₃₃MN₉Croisement₆ oxyde). Les catalyseurs multi-métaux sont connus pour provoquer des effets synergiques qui peuvent les rendre plus actifs que les catalyseurs à métaux uniques.

“Notre catalyseur a en fait une activité un peu plus élevée que l’iridium et une excellente stabilité”, a déclaré Mirkin. “C’est rare car souvent le ruthénium est moins stable. Mais les autres éléments de la composition stabilisent le ruthénium.”

La capacité de filtrer les particules pour leurs performances ultimes est une nouvelle innovation majeure. “Pour la première fois, nous avons non seulement pu dépister rapidement les catalyseurs, mais nous avons vu les meilleurs se comporter bien dans un cadre à l’échelle”, a déclaré Joseph Montoya, chercheur principal au TRI et co-auteur de l’étude.

Dans les tests à long terme, le nouveau catalyseur a fonctionné pendant plus de 1 000 heures avec une efficacité élevée et une excellente stabilité dans un environnement acide dur. Il est également considérablement moins cher que l’iridium – environ un sixième du coût.

“Il y a beaucoup de travail à faire pour rendre cela commercialement viable, mais il est très excitant que nous puissions identifier si rapidement des catalyseurs prometteurs – non seulement à l’échelle du laboratoire mais pour les appareils”, a déclaré Montoya.

Juste le début

En générant des ensembles de données de matériaux de haute qualité massifs, l’approche de mégalibrary jette également les bases de l’utilisation de l’intelligence artificielle (IA) et de l’apprentissage automatique pour concevoir la prochaine génération de nouveaux matériaux. Northwestern, Tri et Mattiq, une entreprise de dérivation du Nord-Ouest, ont déjà développé des algorithmes d’apprentissage automatique pour passer à travers les mégalibrares à des vitesses record.

Mirkin dit que ce n’est que le début. Avec l’IA, l’approche pourrait évoluer au-delà des catalyseurs pour révolutionner la découverte des matériaux pour pratiquement toutes les technologies, telles que les batteries, les dispositifs biomédicaux et les composants optiques avancés.

“Nous allons chercher toutes sortes de matériaux pour les batteries, la fusion et plus encore”, a-t-il déclaré. “Le monde n’utilise pas les meilleurs matériaux pour ses besoins. Les gens ont trouvé les meilleurs matériaux à un certain moment, étant donné les outils qui leur sont disponibles. Le problème est que nous avons maintenant une énorme infrastructure construite autour de ces matériaux, et nous sommes coincés avec eux.

“Nous voulons bouleverser cet avantage. Il est temps de vraiment trouver les meilleurs matériaux pour tous les besoins – sans compromis.”