Utilisation de l’informatique d’inspiration quantique pour découvrir un catalyseur amélioré pour l’hydrogène propre

À l'aide de l'informatique d'inspiration quantique, l'Université de Toronto Engineering et Fujitsu découvrent un catalyseur amélioré pour l'hydrogène propre

Résumé graphique. Le crédit: Question (2022). DOI : 10.1016/j.matt.2022.11.031

Des chercheurs de la faculté des sciences appliquées et de génie de l’Université de Toronto et de Fujitsu ont mis au point une nouvelle façon de rechercher dans « l’espace chimique » des matériaux aux propriétés souhaitables.

La technique a abouti à un nouveau matériau catalyseur prometteur qui pourrait aider à réduire le coût de production d’hydrogène propre.

Cette découverte représente une étape importante vers des moyens plus durables de stocker l’énergie, y compris à partir de sources renouvelables mais intermittentes, telles que l’énergie solaire et éolienne.

“L’intensification de la production de ce que nous appelons l’hydrogène vert est une priorité pour les chercheurs du monde entier, car elle offre un moyen sans carbone de stocker de l’électricité à partir de n’importe quelle source”, déclare Ted Sargent, professeur au département Edward S. Rogers Sr. de génie électrique et informatique et auteur principal d’un nouvel article publié dans Question.

“Ce travail fournit la preuve de concept d’une nouvelle approche pour surmonter l’un des principaux défis restants, à savoir le manque de matériaux catalyseurs hautement actifs pour accélérer les réactions critiques.”

Aujourd’hui, presque tout l’hydrogène commercial est produit à partir de gaz naturel. Le processus produit gaz carbonique comme sous-produit : si le CO2 est évacué dans l’atmosphère, le produit est appelé “hydrogène gris”, mais si le CO2 est capté et stocké, il est appelé « hydrogène bleu ».

En revanche, «l’hydrogène vert» est une méthode sans carbone qui utilise un appareil appelé électrolyseur pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène gazeux. L’hydrogène peut ensuite être brûlé ou mis à réagir dans une pile à combustible pour régénérer l’électricité. Cependant, le faible rendement des électrolyseurs disponibles signifie que la majeure partie de l’énergie de l’étape de séparation de l’eau est gaspillée sous forme de chaleur, plutôt que d’être capturée dans l’hydrogène.

Les chercheurs du monde entier se précipitent pour trouver de meilleurs matériaux catalytiques capables d’améliorer cette efficacité. Mais parce que chaque matériau catalyseur potentiel peut être constitué de plusieurs éléments chimiques différents, combinés de diverses manières, le nombre de permutations possibles devient rapidement écrasant.

“Une façon de le faire est par l’intuition humaine, en recherchant quels matériaux d’autres groupes ont fabriqués et en essayant quelque chose de similaire, mais c’est assez lent”, explique le département de science et d’ingénierie des matériaux. le candidat Jehad Abed, l’un des deux co-auteurs principaux du nouveau document.

“Une autre façon consiste à utiliser un modèle informatique pour simuler la propriétés chimiques de tous les matériaux potentiels que nous pourrions essayer, en partant des premiers principes. Mais dans ce cas, les calculs deviennent vraiment complexes et la puissance de calcul nécessaire pour faire fonctionner le modèle devient énorme.”

Pour trouver un moyen de s’en sortir, l’équipe s’est tournée vers le domaine émergent de l’informatique d’inspiration quantique. Ils ont utilisé le Digital Annealer, un outil créé à la suite d’une collaboration de longue date entre U of T Engineering et Fujitsu Research. Cette collaboration a également abouti à la création du Fujitsu Co-Creation Research Laboratory à l’Université de Toronto.

“Le Digital Annealer est un hybride de matériel et de logiciels uniques conçus pour être très efficaces pour résoudre problèmes d’optimisation combinatoire“, déclare Hidetoshi Matsumura, chercheur principal chez Fujitsu Consulting (Canada) Inc.

“Ces problèmes incluent la recherche de l’itinéraire le plus efficace entre plusieurs emplacements sur un réseau de transport ou la sélection d’un ensemble d’actions pour constituer un portefeuille équilibré. La recherche parmi différentes combinaisons d’éléments chimiques pour trouver un catalyseur avec les propriétés souhaitées est un autre exemple, et c’était un défi parfait à relever pour notre Digital Annealer.”

Dans l’article, les chercheurs ont utilisé une technique appelée expansion de cluster pour analyser un nombre vraiment énorme de conceptions potentielles de matériaux catalyseurs – ils estiment le total à un nombre de l’ordre de centaines de quadrillions. Pour la perspective, un quadrillion est approximativement le nombre de secondes qui passeraient en 32 millions d’années.

Les résultats ont pointé vers une famille prometteuse de matériaux composés de ruthénium, de chrome, de manganèse, d’antimoine et d’oxygène, qui n’avaient pas été explorés auparavant par d’autres groupes de recherche.

L’équipe a synthétisé plusieurs de ces composés et a découvert que les meilleurs d’entre eux présentaient une activité de masse – une mesure du nombre de réactions pouvant être catalysées par masse de catalyseur – qui était environ huit fois supérieure à celle de certains des meilleurs catalyseurs actuellement disponibles. .

Le nouveau catalyseur présente également d’autres avantages : il fonctionne bien dans des conditions acides, ce qui est une exigence des conceptions d’électrolyseurs de pointe. Actuellement, ces électrolyseurs dépendent de catalyseurs constitués en grande partie d’iridium, qui est un élément rare et coûteux à obtenir. En comparaison, le ruthénium, composant principal du nouveau catalyseur, est plus abondant et a un prix de marché inférieur.

L’équipe a encore du travail à faire : par exemple, elle vise à optimiser davantage la stabilité du nouveau catalyseur avant de pouvoir être testé dans un électrolyseur. Pourtant, les derniers travaux servent de démonstration de l’efficacité de la nouvelle approche de la recherche de l’espace chimique.

“Je pense que ce qui est passionnant dans ce projet, c’est qu’il montre comment résoudre des problèmes vraiment complexes et importants en combinant l’expertise de différents domaines”, déclare un doctorat en génie électrique et informatique. le candidat Hitarth Choubisa, l’autre co-auteur principal de l’article.

“Pendant longtemps, les scientifiques des matériaux ont recherché ces catalyseurs plus efficaces, et les informaticiens ont conçu des algorithmes plus efficaces, mais les deux efforts ont été déconnectés. Lorsque nous les avons réunis, nous avons pu trouver une solution prometteuse très Je pense qu’il y a beaucoup plus de découvertes utiles à faire de cette façon.”

Plus d’information:
Hitarth Choubisa et al, Recherche spatiale chimique accélérée à l’aide d’une approche d’expansion de cluster d’inspiration quantique, Question (2022). DOI : 10.1016/j.matt.2022.11.031

Citation: Utilisation de l’informatique d’inspiration quantique pour découvrir un catalyseur amélioré pour l’hydrogène propre (16 décembre 2022) récupéré le 17 décembre 2022 sur https://phys.org/news/2022-12-quantum-inspired-catalyst-hydrogen.html

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