Connectivité importante des oxydes métalliques avec l’hydrogène


Comprendre les interactions entre les matériaux et les espèces chimiques est essentiel pour les ingénieurs, car cela les aide à déterminer leurs meilleures utilisations, tant dans la vie quotidienne que pour les applications à l’échelle mondiale.

Les oxydes métalliques, matériau binaire composé de métal et d’oxygène, intéressent beaucoup les chercheurs en raison de leur importance dans la transformation du stockage, de la production et de la conversion de l’énergie. Pour approfondir ces possibilités, une équipe de la Swanson School of Engineering de l’Université de Pittsburgh a déterminé une nouvelle façon de voir comment l’hydrogène et les oxydes métalliques interagissent.

“De nombreuses techniques expérimentales ont été utilisées pour comprendre ce phénomène – de la spectroscopie à la catalyse”, a expliqué Giannis Mpourmpakis, professeur agrégé et membre du corps professoral du bicentenaire de la Swanson School. “Ces méthodes offrent une vision multiforme de la façon dont les matériaux interagissent avec les espèces chimiques, mais elles peuvent être coûteuses et prendre beaucoup de temps.”

Mpourmpakis et son équipe s’appuient sur leur méthode de modélisation informatique et d’apprentissage automatique pour remplacer efficacement la méthode traditionnelle d’essais et d’erreurs de la recherche scientifique. Leur modèle de réactivité virtuelle prédit avec précision les conditions électrochimiques qui se produisent lorsque de l’hydrogène est inséré dans différents oxydes métalliques.

“Les implications les plus importantes sont que des modèles comme celui développé dans ce travail – qui prend en compte la géométrie locale et globale d’un matériau – peuvent trouver diverses applications allant du stockage d’énergie à la catalyse et à la production de produits chimiques”, a déclaré Mpourmpakis. “Toute application sensible à la structure d’un matériau peut utiliser ce modèle pour développer des relations structure-propriété et identifier les matériaux présentant les performances souhaitées.

“De plus, la modélisation informatique nous permet de tester et de valider un grand nombre de matériaux de manière sûre et efficace à un coût bien inférieur, avec un grand succès que d’autres chercheurs peuvent ensuite poursuivre.”

La Pitt’s Swanson School a publié des recherches révolutionnaires sur la manière dont les matériaux interagissaient avec leur environnement chimique dans le passé. En mai 2022, des recherches menées par la même équipe ont débuté la création de nouveaux catalyseurs durables à base d’oxyde de tungstène et de composés similaires. Le projet a utilisé des simulations informatiques pour comprendre comment l’oxyde de tungstène interagit avec l’hydrogène au niveau moléculaire et les résultats ont été vérifiés par des expérimentations en laboratoire.

L’article intitulé « Les connectivités mondiales et locales décrivent l’hydrogène et l’intercalation dans les oxydes métalliques » a été récemment publié dans Lettres d’examen physique et était une collaboration entre Mpourmpakis, professeur agrégé de génie chimique et de chimie de Pitt, James R. McKone, et Evan V. Miu, récent étudiant diplômé et boursier NSF du programme de génie chimique de Pitt.

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