Une méthode d’apprentissage automatique accélère la découverte de matériaux énergétiques verts

Des chercheurs de l’Université de Kyushu, en collaboration avec l’Université d’Osaka et le Centre de céramique fine, ont développé un cadre qui utilise l’apprentissage automatique pour accélérer la découverte de matériaux destinés aux technologies d’énergie verte.

Grâce à cette nouvelle approche, les chercheurs ont identifié et synthétisé avec succès deux nouveaux matériaux candidats à utiliser dans les piles à combustible à oxyde solide : des dispositifs capables de générer de l’énergie en utilisant des carburants comme l’hydrogène, qui n’émettent pas de dioxyde de carbone.

Leurs conclusions, publiées dans la revue, Matériaux énergétiques avancéspourrait également être utilisé pour accélérer la recherche d’autres matériaux innovants au-delà du secteur énergétique.

En réponse au réchauffement climatique, les chercheurs ont développé de nouvelles façons de produire de l’énergie sans utiliser de combustibles fossiles.

« Une voie vers la neutralité carbone consiste à créer une société de l’hydrogène. Cependant, outre l’optimisation de la manière dont l’hydrogène est produit, stocké et transporté, nous devons également accroître l’efficacité de la production d’électricité des piles à combustible à hydrogène », explique le professeur Yoshihiro Yamazaki, de Département de science et technologie des matériaux de l’Université de Kyushu, Plateforme de recherche énergétique inter-/transdisciplinaire (Q-PIT).

Pour générer un courant électrique, les piles à combustible à oxyde solide doivent être capables de conduire efficacement les ions hydrogène (ou protons) à travers un matériau solide, appelé électrolyte. Actuellement, la recherche sur de nouveaux matériaux électrolytiques se concentre sur les oxydes présentant des arrangements cristallins d’atomes très spécifiques, connus sous le nom de structure pérovskite.

« Le premier oxyde conducteur de protons découvert se trouvait dans une structure pérovskite, et de nouvelles pérovskites très performantes sont continuellement signalées », explique le professeur Yamazaki. « Mais nous souhaitons étendre la découverte d’électrolytes solides aux oxydes non pérovskites, qui ont également la capacité de conduire les protons de manière très efficace. »

Cependant, la découverte de matériaux conducteurs de protons avec des structures cristallines alternatives via des méthodes traditionnelles « d’essais et d’erreurs » présente de nombreuses limites.

Pour qu’un électrolyte acquière la capacité de conduire des protons, de petites traces d’une autre substance, appelée dopant, doivent être ajoutées au matériau de base. Mais avec de nombreux candidats bases et dopants prometteurs, chacun ayant des propriétés atomiques et électroniques différentes, trouver la combinaison optimale qui améliore la conductivité protonique devient difficile et prend du temps.

Au lieu de cela, les chercheurs ont calculé les propriétés de différents oxydes et dopants. Ils ont ensuite utilisé l’apprentissage automatique pour analyser les données, identifier les facteurs ayant un impact sur la conductivité protonique d’un matériau et prédire les combinaisons potentielles.

Guidés par ces facteurs, les chercheurs ont ensuite synthétisé deux matériaux prometteurs, chacun doté de structures cristallines uniques, et ont évalué leur capacité à conduire les protons. Remarquablement, les deux matériaux ont démontré la conductivité protonique au cours d’une seule expérience.

L’un des matériaux, ont souligné les chercheurs, est le premier conducteur de protons connu doté d’une structure cristalline de sillénite. L’autre, qui a une structure eulytite, possède un chemin de conduction protonique à grande vitesse distinct des chemins de conduction observés dans les pérovskites.

Actuellement, les performances de ces oxydes en tant qu’électrolytes sont faibles, mais avec des explorations plus approfondies, l’équipe de recherche estime que leur conductivité peut être améliorée.

« Notre cadre a le potentiel d’élargir considérablement l’espace de recherche sur les oxydes conducteurs de protons, et donc d’accélérer considérablement les progrès dans le domaine des piles à combustible à oxyde solide. Il s’agit d’une étape prometteuse vers la réalisation d’une société de l’hydrogène », conclut le professeur Yamazaki.

« Avec des modifications mineures, ce cadre pourrait également être adapté à d’autres domaines de la science des matériaux et potentiellement accélérer le développement de nombreux matériaux innovants. »