近日，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)倪萌教授、南京工業(yè)大學(xué)邵宗平教授為共同通訊作者在Nature Energy（IF：67.439）以深圳大學(xué)為第一單位發(fā)表了題為" A combined ionic Lewis acid descriptor and machine-learning approach to prediction of efficient oxygen reduction electrodes for ceramic fuel cells"的研究成果。該研究將機(jī)器學(xué)習(xí)、理論計算與陶瓷固體氧化物開發(fā)相結(jié)合，開發(fā)了一個經(jīng)過實驗驗證的陰極材料機(jī)器學(xué)習(xí)篩選技術(shù)，實現(xiàn)了固體氧化物燃料電池篩選高活性陰極材料的重大突破。
圖一基于機(jī)器學(xué)習(xí)的固體氧化物燃料電池陰極材料開發(fā)總體工作流程圖
圖二高活性鈣鈦礦陰極材料結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能
圖三鈣鈦礦陰極材料本征活性與路易斯酸性強(qiáng)度以及離子半徑函數(shù)相關(guān)性的三維可視化示意圖
實現(xiàn)煤炭的清潔高效利用,推動煤炭革命,對我國能源結(jié)構(gòu)改革具有重大戰(zhàn)略意義。當(dāng)前，現(xiàn)代化的燃煤電廠受到卡諾循環(huán)的限制，單位發(fā)電量的煤炭消耗量居高不下，同時難以破解煤炭發(fā)電固有的CO2大量排放的技術(shù)瓶頸，無法真正實現(xiàn)煤炭的清潔低碳利用。謝和平院士團(tuán)隊率先提出并正在攻關(guān)“近零碳排放直接煤燃料電池（DCFC）發(fā)電技術(shù)”(CN114284533A)。該技術(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，同時在系統(tǒng)內(nèi)原位實現(xiàn)CO2二次能源化利用。其中DCFC是基于固體氧化物燃料電池，其陰極提供了碳氧化反應(yīng)所需的氧離子，材料的本征活性對氧還原反應(yīng)的動力學(xué)反應(yīng)速率有著決定性作用。然而，傳統(tǒng)的材料設(shè)計、表征和測試依賴低效的試錯過程，往往需要漫長的研究周期。
基于上述研究思考，該研究創(chuàng)新將機(jī)器學(xué)習(xí)、理論計算與固體氧化物燃料電池陰極材料設(shè)計相結(jié)合，實現(xiàn)了快速、有效的從龐大的鈣鈦礦組分中篩選高活性陰極材料。該研究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的機(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的偏移，進(jìn)而降低氧空位的生成能和遷移能壘的機(jī)制。該成果為團(tuán)隊正在攻關(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。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-022-01098-3
