近日,加拿大国家工程院院士、鸿基创能科技(广州)有限公司董事长兼首席技术官、广州大学特聘教授、广东院士联合会会员叶思宇团队在质子陶瓷电池领域的研究又取得了重要突破,他们投稿于 Advanced Energy Materials 和 Advanced Functional Materials 的研究论文在同一天被接收!这也是近两年该团队在此方向继AM、AEM、InfoMat、AFM、Nano Energy等学科交叉研究成果后的又一重磅之作!

 

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研究背景

 

全球可持续化发展依赖于化石能源低碳化,零碳能源规模化和多种能源加速融合。氢能是21世纪极具发展前景的二次能源,获得高效绿氢制备及利用技术是当今能源革新的关键。而电解水制氢是获取氢能的重要途径之一。质子陶瓷电池(PCCs)在电解水制氢方面独具优势,其可在400-700 °C下运行,具有无需使用贵金属、效率高、与可再生能源联用等优点。然而,PCCs 电化学性能的提升受到空气极反应活性和离子传导的限制,理想的空气极应具备高催化活性、高稳定性以及高混合质子(H⁺)、氧离子(O2⁻)和电子(e⁻)导电性,但目前缺乏满足此多功能的高性能空气极材料。传统的研究方法存在成本高、效率低等问题,机器学习在材料科学的应用中已展现出显著优势,特别是在处理复杂数据集和高维变量关系方面,为传统方法难以企及的研究内容提供了全新的解决方案。因此,研究团队通过引入机器学习技术指导空气极的开发,取得了显著成效,为高性能PCC空气极材料的设计研究提供理论指导。

 

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研究内容

 

 论文一:

研究人员构建了一个基于XGBoost算法的高精度机器学习模型,预测了La1−xA′xBO3(A′ = Na, K, Ca, Mg, Ba, Cu等)钙钛矿氧化物的质子吸收能力(HPC)。通过对784种钙钛矿氧化物的数据进行训练和10次重复的10折交叉验证(如图1),模型成功筛选出具有最高HPC的La0.8Ba0.2CoO3(LBC)作为候选材料。随后,通过DFT计算和实验进一步验证了LBC的HPC值。电池测试实验结果表明,无论在燃料电池模式和电解池模式,PCC的电化学性能都处于先进水平。

 

叶思宇院士团队在材料类高水平期刊发表学科交叉研究论文
图1.:XGBoost 算法的一般结构,以及10倍交叉验证重复图。

 

 论文二:

该研究设计了新型高熵钙钛矿氧化物 La(Co0.2Cu0.2Fe0.2Ni0.2Me0.2)O3-δ(Me = Al、Mn、Cr)。这种设计将高熵效应引入到传统的 ABO3钙钛矿结构中,为开发高性能电极材料提供了新的思路。论文作者通过对新材料进行水合能力、催化活性、热膨胀系数、电化学性能等方面的表征,确认了其作为空气极的优异物理化学性质。该材料在高Zr电解质BaZr0.4Ce0.4Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb6211)基PCC电池中的电流密度也仍然处于领先地位(如图2),为 PCCs及其他能源转换设备提供了高性能电化学催化剂的设计策略。

 

叶思宇院士团队在材料类高水平期刊发表学科交叉研究论文
图2:在高Zr电解质基燃料电池和电解池模式下的电化学性能。

 

原文始发于微信公众号(中科清研科学技术研究院):叶思宇院士团队在材料类高水平期刊发表学科交叉研究论文

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作者 gan, lanjie