Lang Li | Nicolas Hörmann
Afin de développer des électrolyseurs améliorés pour la production régénérative d’hydrogène, les processus à la surface des électrodes métalliques utilisées doivent être compris avec précision. Des chercheurs du département de théorie de l’Institut Fritz Haber ont maintenant pu montrer que même le plus petit débordement d’électrons métalliques dans l’environnement aqueux de l’électrolyte suffit à décupler la capacité de stockage de l’énergie. Ce n’est que si les simulations informatiques tiennent compte de cet effet mécanique quantique qu’elles peuvent être utilisées de manière fiable pour étudier de nouveaux matériaux prometteurs pour les électrolyseurs.
La production électrochimique d’hydrogène ou de carburants synthétiques constitue l’un des principaux piliers du futur stockage durable de l’énergie. Cependant, les matériaux d’électrode utilisés dans les électrolyseurs actuels ne permettent pas encore de réaliser ces processus de conversion chimique de manière suffisamment efficace ou se corrodent trop rapidement. La recherche de matériaux appropriés plus actifs et/ou plus durables est donc un domaine de recherche très actif. L’utilisation de simulations informatiques modernes pourrait compléter des expériences longues et complexes, contribuant ainsi à raccourcir les longs cycles de recherche et de développement, ce qui est une nécessité urgente.
Toutefois, les simulations informatiques ne peuvent remplir cette fonction que si elles décrivent de manière fiable des systèmes réels. Pour saisir avec précision les conversions chimiques, cette description doit aller jusqu’aux détails de la structure atomique, et malheureusement, même après des années de recherche intensive, il reste encore des problèmes non résolus. Un problème connu depuis longtemps est que les simulations précédentes résolues au niveau atomique n’ont pas pu reproduire correctement la capacité expérimentale d’une électrode modèle relativement simple mais prototypique. La capacité calculée pour cette surface monocristalline définie de platine, c’est-à-dire la capacité de stockage intrinsèque, était toujours trop faible d’au moins un facteur 10.
Les chercheurs du département de théorie de l’Institut Fritz Haber ont maintenant mis ce problème sur le compte de la nature classique des techniques de simulation utilisées jusqu’à présent. Lang Li, premier auteur de l’étude publiée dans le célèbre Journal of the American Society, précise : « Par classique, nous entendons que les effets de la mécanique quantique n’ont pas été explicitement pris en compte dans les simulations jusqu’à présent. »
En effectuant des simulations complexes qui incluent ces effets, elle et l’équipe dirigée par le Dr Nicolas Hörmann ont pu confirmer pleinement les valeurs expérimentales. Plus précisément, leurs analyses ont montré que les électrons pénètrent dans une certaine mesure de la surface de l’électrode de platine dans les premières couches d’eau de l’électrolyte environnant, et que c’est cette expansion qui augmente de manière significative la capacité.
Grâce à ces connaissances, il est désormais possible d’améliorer de manière ciblée les futures simulations informatiques pour les nouveaux matériaux d’électrodes prometteurs. Une approche pourrait consister en des méthodes d’apprentissage automatique qui, après un entraînement approprié sur des données complexes de mécanique quantique, intègrent efficacement ce que l’on appelle le débordement d’électrons dans des simulations classiques plus efficaces.
Source : Max Planck Gesellerschaft
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