Un gruppo di ricerca NIMS ha sviluppato una tecnica di intelligenza artificiale in grado di accelerare l’identificazione di materiali con caratteristiche desiderabili. Utilizzando questa tecnica, il team è stato in grado di scoprire materiali per elettrodi dell'elettrolizzatore ad acqua ad alte prestazioni privi di elementi del gruppo del platino, sostanze precedentemente ritenute indispensabili nell'elettrolisi dell'acqua. Questi materiali potrebbero essere utilizzati per ridurre i costi della produzione su larga scala di idrogeno verde, una fonte di energia di prossima generazione. La ricerca è stata pubblicata su ACS Central Science .
La produzione su larga scala di idrogeno verde utilizzando elettrolizzatori ad acqua è un mezzo praticabile per raggiungere la neutralità del carbonio. Gli elettrolizzatori ad acqua attualmente disponibili si basano su elementi del gruppo del platino, costosi e rari, come componenti principali dell'elettrocatalizzatore per accelerare la reazione di evoluzione lenta dell'ossigeno (OER), una reazione elettrolitica dell'acqua che può produrre idrogeno.
Per affrontare questo problema, è in corso la ricerca per sviluppare elettrocatalizzatori OER più economici e privi del gruppo del platino, composti da elementi chimici relativamente abbondanti compatibili con la produzione di idrogeno verde su larga scala. Tuttavia, si è scoperto che identificare le composizioni chimiche ottimali di tali elettrocatalizzatori da un numero infinito di possibili combinazioni è estremamente costoso, dispendioso in termini di tempo e di manodopera.
Questo gruppo di ricerca NIMS ha recentemente sviluppato una tecnica di intelligenza artificiale in grado di prevedere con precisione le composizioni di materiali con caratteristiche desiderabili cambiando i modelli di previsione a seconda delle dimensioni dei set di dati disponibili per l'analisi.
Utilizzando questa intelligenza artificiale, il team è stato in grado di identificare materiali elettrocatalitici OER nuovi ed efficaci da circa 3.000 materiali candidati in un solo mese. Per riferimento, si stima che la valutazione manuale e completa di questi 3.000 materiali richiederà quasi sei anni.
Questi materiali elettrocatalitici recentemente scoperti possono essere sintetizzati utilizzando solo elementi metallici relativamente economici e abbondanti:manganese (Mn), ferro (Fe), nichel (Ni), zinco (Zn) e argento (Ag). Gli esperimenti hanno scoperto che, in determinate condizioni, questi materiali elettrocatalitici mostrano proprietà elettrochimiche superiori agli ossidi di rutenio (Ru), i materiali elettrocatalitici esistenti con la più alta attività OER conosciuta.
Nella crosta terrestre, l'Ag è l'elemento meno abbondante tra quelli che costituiscono i materiali elettrocatalitici appena scoperti. Tuttavia, la sua abbondanza nella crosta è quasi 100 volte quella del Ru, indicando che questi nuovi materiali elettrocatalitici possono essere sintetizzati in quantità sufficientemente grandi da consentire la produzione di massa di idrogeno utilizzando elettrolizzatori ad acqua.
Questi risultati hanno dimostrato che questa tecnica di intelligenza artificiale potrebbe essere utilizzata per espandere i limiti dell’intelligenza umana e accelerare notevolmente la ricerca di materiali con prestazioni più elevate. Utilizzando questa tecnica, il team prevede di accelerare i propri sforzi per sviluppare nuovi materiali, principalmente materiali per elettrodi per elettrolizzatori ad acqua, al fine di migliorare l'efficienza di vari dispositivi elettrochimici che contribuiscono alla neutralità del carbonio.
Questo progetto è stato realizzato da un gruppo di ricerca NIMS guidato da Ken Sakaushi (ricercatore principale) e Ryo Tamura (team leader). Questo lavoro è stato condotto insieme a un altro progetto intitolato "Ricerca ad alto rendimento di catalizzatori per l'elettrolisi dell'acqua di mare combinando esperimenti automatizzati con la scienza dei dati" nell'ambito dell'area di missione del programma JST-Mirai, "società a basse emissioni di carbonio".
Ulteriori informazioni: Ken Sakaushi et al, Collaborazione uomo-macchina per la scoperta accelerata di elettrocatalizzatori promettenti per l'evoluzione dell'ossigeno con elementi su richiesta, ACS Central Science (2023). DOI:10.1021/acscentsci.3c01009
Fornito dall'Istituto nazionale per la scienza dei materiali
