化學與材料科學 - 廣州大學葉思宇院士團隊《Adv. Mater.》：機器學習輔助質子陶瓷電池空氣極材料設計－鑽石舞台

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近期，廣州大學黃埔氫能源創新中心葉思宇院士團隊在AdvancedMaterials發表了題為「Machine learning-accelerated development of efficient mixed protonic-electronic conducting oxides as the air electrodes for protonic ceramic cells」的論文，該文章的第一作者是廣州大學黃埔氫能源創新中心汪寧博士，華南理工大學袁保印博士，北海道大學唐春梅博士，葉思宇院士為共同通訊作者。這也是該團隊相關成員在質子陶瓷電池領域繼Adv. EnergyMater. (Front Cover;)的又一力作。

氫能的高效利用，有助於「碳達峰、碳中和」這一目標的有效實現。燃料電池作為直接使用氫能發電而不產生任何碳排放的器件備受青睞。質子陶瓷電池(Protonic ceramic cell; PCC)可在中溫區域(400-700℃)工作，既不需要貴金屬催化劑，又可實現較高的能量轉換效率（熱電聯供等），近年來備受矚目。但是缺少高效質子傳導的空氣極材料是制約PCC發展的關鍵之一。傳統的材料開發往往面臨周期長，試錯成本高等缺點。隨着人工智能的發展以及材料數據庫的增加，機器學習逐漸應用到材料科學領域。因此，本研究報道了機器學習輔助PCC空氣極材料的設計。

該研究系統地考慮了795個氧化物本徵物化性質和外界條件等66個自變量指標，去除相關性大於0.9的指標，訓練了5個機器學習模型(SVM, KNN, GPR, GBM, RF) (圖1)，兼顧準確性和可解釋性選擇最優模型，對3200種未知氧化物400–700 oC的質子引入量(600 oC，如圖2所示)進行預測，從而篩選高效氧化物用於PCC空氣極。本研究構建的機器學習模型揭示了影響氧化物質子引入能力的因素，為後續設計開發高效空氣極提供了模型指導。

圖1.預測變量的相關性分析。

圖2. 預測的3200種氧化物的質子引入量(600 oC)。

並且，論文作者通過結合實驗和DFT理論計算表徵篩選的高效質子傳導氧化物質子傳導性能（水化反應能，質子遷移能壘等）和ORR/OER活性(圖3)，對機器學習模型的預測準確性進行了理論驗證。將篩選的高效質子傳導氧化物用於PCC空氣極，無論在燃料電池模式和電解池模式，PCC的電化學性能都處於領先地位(圖4)。本研究為設計PCC關鍵材料開闢了新的道路。

圖3. 篩選的氧化物質子傳導和ORR/OER活性計算。

圖4. PCC結構圖以及其在燃料電池和電解池模式下的電化學性能。

原文鏈接

N. Wang, B. Yuan*, C. Tang*, L. Du, R. Zhu, Y. Aoki, W. Wang, L. Xing, S. Ye*, Machine learning-accelerated development of efficient mixed protonic-electronic conducting oxides as the air electrodes for protonic ceramic cells. Advanced Materials, (2022). DOI: 10.1002/adma.202203446.https://doi.org/10.1002/adma.202203446

https://doi.org/10.1002/aenm.202201882

作者簡介

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第一作者簡介

汪寧，2020年博士畢業於日本北海道大學，主要研究方向為質子陶瓷電池關鍵材料、電催化、機器學習等。截至目前，以第一作者在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Chem. Mater., J. Mater. Chem. A等期刊發表文章12篇。

通訊作者簡介

袁保印，2020年博士畢業於日本北海道大學，現為華南理工大學數學學院助理研究員，主要研究方向是應用統計學、機器學習、計算數學等，致力於跨學科的數學建模與數據分析。

唐春梅，2022年博士畢業於日本北海道大學。研究方向：質子陶瓷電池，電化學制氫，固態離子學，熱電材料等。

葉思宇，加拿大工程院院士，廣州大學特聘教授，博士生導師，黃埔氫能源創新中心負責人和首席科學家，廣東省省長經濟顧問，廣東省政府新能源汽車產業創新發展諮詢委員會燃料電池汽車領域專家組組長，廣東省氫能技術重點實驗室第一屆學術委員會主任，先進能源科學與技術廣東省實驗室雲浮分中心學術委員會主任，加拿大不列顛哥倫比亞大學、滑鐵盧大學、華南理工大學、南方科技大學兼職教授，廈門大學、西南交通大學名譽教授，中國科學院廣州能源研究所客座研究員，鴻基創能科技（廣州）有限公司副董事長兼首席技術官。

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