La transition mondiale vers les sources d'énergie propres et la décarbonisation de l'économie se heurte à un obstacle majeur : le prix et la disponibilité des matériaux nécessaires à la production d'hydrogène vert. Pendant des années, les scientifiques du monde entier ont cherché une solution au problème de l'iridium, un métal précieux plus cher que l'or, qui est crucial pour la production efficace d'hydrogène à partir de l'eau. Aujourd'hui, grâce à une technologie révolutionnaire développée à l'Université Northwestern américaine en collaboration avec l'Institut de recherche Toyota (TRI), il semble qu'une solution ait été trouvée, et ce, en un temps record.

Une équipe de chercheurs a réussi à découvrir un nouveau matériau qui non seulement rivalise avec les performances de l'iridium, mais les surpasse même à certains égards, le tout pour une fraction du coût. Cette percée ouvre non seulement la voie à une production d'hydrogène vert nettement moins chère, mais prouve également la puissance d'une nouvelle approche qui pourrait changer fondamentalement la façon dont nous découvrons de nouveaux matériaux pour tout, des batteries à la médecine de pointe.

L'iridium : Le goulot d'étranglement coûteux et rare de la transition verte

L'hydrogène vert est considéré comme le Saint Graal de l'énergie du futur. Il est produit par un processus d'électrolyse de l'eau, où l'électricité est utilisée pour diviser les molécules d'eau en oxygène et en hydrogène. Alors que l'hydrogène est le produit souhaité, la réaction de dégagement d'oxygène (OER - Oxygen Evolution Reaction) constitue la partie la plus exigeante et la plus lente du processus sur le plan technique. Pour accélérer cette réaction et la rendre plus efficace, des catalyseurs sont nécessaires, et c'est là que l'iridium entre en jeu.

L'iridium s'est avéré être le catalyseur le plus efficace et le plus stable, en particulier dans les conditions acides typiques des électrolyseurs PEM, l'une des principales technologies de production d'hydrogène. Cependant, l'iridium présente deux inconvénients majeurs. Premièrement, c'est l'un des éléments les plus rares de la croûte terrestre. Il est le plus souvent obtenu comme sous-produit de l'extraction du platine, et sa production annuelle se mesure en quelques tonnes seulement. Deuxièmement, sa rareté dicte également un prix astronomique. Avec un prix avoisinant les 5 000 dollars l'once, il est nettement plus cher que l'or. Les experts sont unanimes : il n'y a tout simplement pas assez d'iridium dans le monde pour répondre aux besoins prévus pour une production massive d'hydrogène vert. C'est un obstacle fondamental qui freine l'expansion mondiale de l'économie de l'hydrogène.

Mégabibliothèque : Une usine de nanomatériaux sur une seule puce

Face à ce défi, une équipe dirigée par Chad A. Mirkin, un pionnier de la nanotechnologie de l'Université Northwestern, a appliqué son invention révolutionnaire appelée la « mégabibliothèque ». Il s'agit d'une plateforme qui fonctionne comme une sorte d'« usine de données » pour les nanomatériaux. Sur une seule puce minuscule, plus petite qu'un timbre-poste, se trouvent des millions, voire des centaines de millions, de nanoparticules conçues de manière unique.

Le processus de création d'une mégabibliothèque est fascinant. On utilise des réseaux de dizaines de milliers de pointes microscopiques, semblables à des pyramides, dont chacune agit comme un « nano-stylo » miniature. Ces pointes déposent de minuscules gouttelettes de solutions de sels métalliques sur la surface de la puce dans des combinaisons précisément définies. Chaque gouttelette représente une « recette » unique. Une fois toutes les gouttelettes déposées, la puce est chauffée, ce qui entraîne la réduction des sels et la formation de nanoparticules solides, chacune ayant une composition chimique et une taille précisément déterminées. Comme l'a expliqué le professeur Mirkin de manière imagée : « Vous pouvez imaginer chaque pointe comme une personne minuscule dans un laboratoire minuscule. Au lieu d'une personne fabriquant une structure, vous avez des millions de personnes. En gros, vous avez toute une armée de chercheurs déployée sur une seule puce. »

Une recherche éclair pour le remplacement idéal

La découverte traditionnelle de matériaux est un processus lent et laborieux, rempli d'innombrables essais et erreurs. La mégabibliothèque accélère ce processus de manière exponentielle. Dans cette étude particulière, l'objectif était de trouver une alternative bon marché et abondante à l'iridium. Les scientifiques se sont concentrés sur des combinaisons de quatre métaux beaucoup plus disponibles, connus pour leurs propriétés catalytiques : le ruthénium, le cobalt, le manganèse et le chrome.

Un nombre incroyable de 156 millions de nanoparticules uniques ont été créées sur la puce, chacune avec un rapport différent de ces quatre métaux. Après la synthèse, un scanner robotique à haut débit a balayé la scène. Ce système automatisé a testé rapidement et efficacement chacune des millions de particules pour évaluer sa capacité à catalyser la réaction de dégagement d'oxygène. Sur la base de ces tests préliminaires, l'équipe a identifié les candidats les plus prometteurs et les a sélectionnés pour des tests de laboratoire plus poussés et détaillés.

La formule gagnante : Stabilité et efficacité sans le prix élevé

Après des tests rigoureux, une composition s'est imposée comme le vainqueur absolu. Il s'agit d'une combinaison spécifique des quatre métaux sous forme d'oxyde : Ru52Co33Mn9Cr6. Il est connu que les catalyseurs multimétalliques présentent souvent des effets synergiques, où la combinaison d'éléments donne de meilleurs résultats que chaque élément individuellement. Cela s'est également confirmé dans ce cas.

Le nouveau matériau a montré une activité égale, et dans certains tests même légèrement supérieure, à celle des catalyseurs commerciaux à base d'iridium. Mais la vraie victoire réside dans sa stabilité. Le ruthénium, qui est en soi un bon catalyseur, est souvent instable dans des conditions acides agressives. Cependant, dans cette combinaison, le cobalt, le manganèse et le chrome agissent comme des stabilisateurs, conférant au matériau une durabilité à long terme. Lors des tests à long terme, le nouveau catalyseur a fonctionné pendant plus de 1 000 heures avec une efficacité élevée et une stabilité exceptionnelle dans des conditions difficiles. Si l'on ajoute à cela l'aspect financier – le coût estimé de ce matériau est environ seize fois inférieur à celui de l'iridium – il est clair qu'il s'agit d'une découverte au potentiel énorme.

L'avenir est dans la fusion de la nanotechnologie et de l'intelligence artificielle

Ce succès n'est pas seulement important pour l'avenir de l'hydrogène vert, mais aussi pour tout le domaine de la science des matériaux. L'approche basée sur les mégabibliothèques génère d'énormes quantités de données de haute qualité sur la relation entre la structure d'un matériau et ses propriétés. De tels ensembles de données constituent une base idéale pour l'application de l'intelligence artificielle (IA) et de l'apprentissage automatique.

L'Université Northwestern, TRI et Mattiq, une société spin-out issue du laboratoire universitaire, ont déjà développé des algorithmes d'apprentissage automatique capables d'analyser les données des mégabibliothèques à une vitesse dépassant les capacités humaines. L'IA peut reconnaître des modèles et des corrélations subtils et prédire quelles combinaisons d'éléments pourraient donner des résultats encore meilleurs, orientant ainsi les recherches futures. Comme le souligne le professeur Mirkin, ce n'est qu'un début. L'objectif est d'appliquer cette plateforme à la recherche de meilleurs matériaux dans presque tous les secteurs technologiques : des batteries plus efficaces et des matériaux pour les réacteurs à fusion aux composants optiques avancés et aux dispositifs biomédicaux. Nous vivons dans un monde qui n'utilise souvent pas les meilleurs matériaux possibles, mais plutôt ceux qui étaient disponibles avec les outils du passé. Cette technologie offre l'opportunité de changer cela et de trouver la solution optimale pour chaque application, sans compromis.