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9月5日，深圳大學(xué)謝和平院士與其博士生翟朔分別為通訊和第一作者，香港理工大學(xué)教授倪萌、南京工業(yè)大學(xué)教授邵宗平為共同通訊作者在《自然—能源》上發(fā)表研究成果。他們將機(jī)器學(xué)習(xí)、理論計(jì)算與陶瓷固體氧化物開發(fā)相結(jié)合，開發(fā)了一個(gè)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的陰極材料機(jī)器學(xué)習(xí)篩選技術(shù)，快速、有效地從龐大的鈣鈦礦組分中篩選高活性固體氧化物燃料電池陰極材料。
實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)改革具有重要戰(zhàn)略意義。然而，燃煤電廠受卡諾循環(huán)限制，單位發(fā)電量的煤炭消耗量較高，且難以破解二氧化碳排放的技術(shù)瓶頸。謝和平團(tuán)隊(duì)提出并正在攻關(guān)的近零碳排放直接煤燃料電池發(fā)電技術(shù)可打破卡諾循環(huán)的限制，不通過燃燒，而是將改性煤炭的化學(xué)能通過電化學(xué)氧化過程直接轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)原位實(shí)現(xiàn)二氧化碳二次利用，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、實(shí)現(xiàn)近零碳排放的特點(diǎn)。
針對(duì)傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)、表征和測(cè)試方法需要漫長(zhǎng)研究周期的問題，謝和平團(tuán)隊(duì)將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于針對(duì)固體氧化物燃料電池高活性陰極材料篩選的攻關(guān)研究。為了構(gòu)建準(zhǔn)確的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，需要高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集、準(zhǔn)確的鈣鈦礦氧化物描述符和合適的回歸模型，但目前學(xué)界還缺乏具有代表性的、能夠準(zhǔn)確反映高溫下氧還原反應(yīng)機(jī)理的物理描述符。為此，該研究引入了與高溫下鈣鈦礦氧化物氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率強(qiáng)烈相關(guān)的路易斯酸性強(qiáng)度（ISA）作為描述符，并驗(yàn)證了8種不同回歸模型的有效性。
最終，他們從機(jī)器自動(dòng)生成、預(yù)測(cè)的6871種不同鈣鈦礦氧化物中篩選出了4種鈣鈦礦陰極并成功合成。特別是，SCCN（Sr0.9Cs0.1Co0.9Nb0.1O3）、Ba0.4Sr0.4Cs0.2Co0.6Fe0.3Mo0.1O3（BSCCFM）在700 °C下的面積比電阻ASR僅為0.0101和0.0113 Ω cm2，接近于機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)值。在三維可視化示意圖中，4種陰極材料的本性活性Lg(ASR)符合與ISA描述符的大致線性趨勢(shì)。通過弛豫時(shí)間分布（DRT）模型與等效電路模型對(duì)其電化學(xué)交流阻抗譜進(jìn)行分析與量化，4種鈣鈦礦氧化物陰極的中頻電阻呈現(xiàn)出較大的差異，并且具有顯著的熱激活特征，即表面氧轉(zhuǎn)移相關(guān)過程為氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的決定步驟。
實(shí)驗(yàn)表征與密度泛函理論（DFT）計(jì)算闡明了鈣鈦礦氧化物路易斯酸性調(diào)控策略提升本征活性機(jī)理，揭示了路易斯酸性在A位和B位離子的極化分布引起電子對(duì)的偏移，進(jìn)而降低了氧空位的生成能和遷移能壘的機(jī)制。
該項(xiàng)研究成功將機(jī)器學(xué)習(xí)與高活性固體氧化物燃料電池陰極材料的開發(fā)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了快速、有效地從龐大的鈣鈦礦組分中篩選高活陰極材料。作者表示，與高通量DFT計(jì)算方法相比，該方法無需建立分子模型，僅通過分子式對(duì)回歸模型進(jìn)行訓(xùn)練即可預(yù)測(cè)材料性能，打破了陰極材料開發(fā)效率低的技術(shù)壁壘，未來機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展還需要加快材料數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。
該成果為謝和平團(tuán)隊(duì)正在攻關(guān)的近零碳排放直接煤燃料電池發(fā)電技術(shù)提供了理論依據(jù)與技術(shù)支持。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41560-022-01098-3
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