Las técnicas de IA aumentan la producción de hidrógeno verde mediante el uso de elementos químicos más abundantes

Un equipo de investigación del NIMS ha desarrollado una técnica de IA capaz de acelerar la identificación de materiales con características deseables. Utilizando esta técnica, el equipo pudo descubrir materiales de electrodos de electrolizadores de agua de alto rendimiento libres de elementos del grupo del platino, sustancias que antes se consideraban indispensables en la electrólisis del agua. Estos materiales se pueden utilizar para reducir el costo de la producción a gran escala de hidrógeno verde, una fuente de energía de próxima generación. Publicado en investigación Ciencia Central ACS.

La producción a gran escala de hidrógeno verde utilizando electrolizadores de agua es un medio viable para lograr la neutralidad de carbono. Los electrolizadores de agua disponibles actualmente se basan en elementos costosos y con bajo contenido de platino para catalizar la reacción de evolución de oxígeno (REA) barata, que puede producir hidrógeno.

Para abordar este problema, se están realizando investigaciones para desarrollar electrocatalizadores REA económicos y sin grupos de platino que contengan elementos químicos relativamente abundantes compatibles con la producción de hidrógeno verde a gran escala. Sin embargo, identificar las combinaciones químicas óptimas de tales electrocatalizadores entre un número infinitamente grande de combinaciones posibles resultó ser muy costoso, lento y laborioso.

Este equipo de investigación del NIMS desarrolló recientemente una técnica de inteligencia artificial que puede predecir con precisión la formación de materiales con las propiedades deseadas modificando los modelos predictivos según los tamaños de los conjuntos de datos disponibles para el análisis.

Utilizando esta IA, el equipo pudo identificar materiales catalizadores electrónicos REA nuevos y eficaces a partir de unos 3000 materiales candidatos en solo un mes. Como referencia, de forma manual, un estudio exhaustivo de estos 3.000 materiales llevaría aproximadamente seis años.

Estos materiales electrocatalíticos recién descubiertos pueden fabricarse utilizando únicamente elementos metálicos relativamente baratos y abundantes: manganeso (Mn), hierro (Fe), níquel (Ni), zinc (Zn) y plata (Ag). Los experimentos han demostrado que, bajo ciertas condiciones, estos materiales electrocatalíticos exhiben propiedades electroquímicas superiores a las de los óxidos de rutenio (Ru), los materiales electrocatalíticos actuales con la mayor actividad REA reportada.

En la corteza terrestre, Ag es el elemento menos abundante en la formación de materiales electrocatalíticos recientemente descubiertos. Sin embargo, su abundancia de cristales es aproximadamente 100 veces mayor que la del Ru, lo que indica que estos nuevos materiales electrocatalíticos pueden sintetizarse en cantidades suficientemente grandes como para permitir la producción en masa de hidrógeno utilizando electrolizadores de agua.

Estos resultados demostraron que esta técnica de IA podría utilizarse para ampliar los límites de la inteligencia humana y acelerar drásticamente el descubrimiento de materiales de alto rendimiento. Utilizando esta técnica, el equipo planea acelerar los esfuerzos para desarrollar nuevos materiales, específicamente materiales para electrodos de electrolizadores de agua, para mejorar el rendimiento de varios dispositivos electroquímicos que contribuyen a la neutralidad de carbono.

El proyecto fue llevado a cabo por un equipo de investigación del NIMS dirigido por Ken Sakoshi (investigador principal) y Ryo Tamura (líder del equipo). Este trabajo se combinó con otro proyecto titulado «Descubrimiento de alto rendimiento de catalizadores de electrólisis de agua de mar mediante la combinación de experimentos automatizados con ciencia de datos» en el área de misión del programa JST-Mirai, «Sociedad baja en carbono».