Un equipo de investigación del NIMS ha desarrollado una técnica de inteligencia artificial 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 pueden usarse para reducir el costo de la producción a gran escala de hidrógeno verde, una fuente de energía de próxima generación. La investigación fue publicada en ACS Central Science .
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 dependen de elementos caros y escasos del grupo del platino como sus principales componentes electrocatalizadores para acelerar la reacción de evolución lenta de oxígeno (REA), una reacción electrolítica del agua que puede producir hidrógeno.
Para abordar este problema, se están realizando investigaciones para desarrollar electrocatalizadores REA más baratos y sin grupos de platino compuestos de elementos químicos relativamente abundantes compatibles con la producción de hidrógeno verde a gran escala. Sin embargo, se ha descubierto que identificar las composiciones químicas óptimas de tales electrocatalizadores a partir de un número infinitamente grande de combinaciones posibles es enormemente costoso, requiere mucho tiempo y trabajo.
Este equipo de investigación del NIMS desarrolló recientemente una técnica de inteligencia artificial capaz de predecir con precisión las composiciones de materiales con características deseables cambiando los modelos de predicción según los tamaños de los conjuntos de datos disponibles para el análisis.
Utilizando esta IA, el equipo pudo identificar materiales electrocatalíticos REA nuevos y eficaces a partir de aproximadamente 3000 materiales candidatos en solo un mes. Como referencia, se estimó que la evaluación manual e integral de estos 3000 materiales llevaría casi seis años.
Estos materiales electrocatalíticos recién descubiertos pueden sintetizarse utilizando únicamente elementos metálicos abundantes y relativamente baratos:manganeso (Mn), hierro (Fe), níquel (Ni), zinc (Zn) y plata (Ag). Los experimentos encontraron que, bajo ciertas condiciones, estos materiales electrocatalíticos exhiben propiedades electroquímicas superiores a las de los óxidos de rutenio (Ru), los materiales electrocatalíticos existentes con la mayor actividad REA conocida.
En la corteza terrestre, Ag es el elemento menos abundante entre los que constituyen los materiales electrocatalíticos recién descubiertos. Sin embargo, su abundancia en la corteza es casi 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 la búsqueda de materiales de mayor rendimiento. Utilizando esta técnica, el equipo planea acelerar sus esfuerzos para desarrollar nuevos materiales, principalmente materiales para electrodos de electrolizadores de agua, con el fin de mejorar la eficiencia de varios dispositivos electroquímicos que contribuyen a la neutralidad de carbono.
Este proyecto fue llevado a cabo por un equipo de investigación del NIMS dirigido por Ken Sakaushi (investigador principal) y Ryo Tamura (líder del equipo). Este trabajo se realizó en conjunto con otro proyecto titulado "Búsqueda 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".
Más información: Ken Sakaushi et al, Colaboración entre humanos y máquinas para el descubrimiento acelerado de electrocatalizadores prometedores para la evolución del oxígeno con elementos bajo demanda, ACS Central Science (2023). DOI:10.1021/acscentsci.3c01009
Proporcionado por el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales
