化學(xué)循環(huán)（CL）代表了一種通用的、新興的可持續(xù)化學(xué)和能源轉(zhuǎn)換策略。由于不同應(yīng)用對熱力學(xué)性能的要求不同，設(shè)計具有合適氧化還原性能的金屬氧化物氧載體仍然是CL面臨的最關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。氧載體的設(shè)計空間已從負(fù)載單金屬過渡金屬氧化物顯著擴展到各種混合氧化物家族，因此非常需要有效的計算工具來縮小材料設(shè)計空間。
在此，美國北卡羅來納州立大學(xué)李凡星教授等人使用SrxA1-xFeyB1-yO3-δ作為模型系統(tǒng)，開發(fā)并實驗驗證了基于DFT和機器學(xué)習(xí)（ML）的高通量模擬方法以合理調(diào)整鈣鈦礦氧化物的氧化還原氧化學(xué)勢。基于DFT的高通量模型可有效識別陽離子摻雜劑類型和濃度，在跨越一個大的溫度范圍（400~900℃）內(nèi)靈活調(diào)整混合氧化物的平衡氧分壓（超過20個數(shù)量級，10-21~0.1 atm）。
作者模擬了含多達(dá)4種陽離子元素的2401種鈣鈦礦氧化物的氧化學(xué)勢作為其氧空位濃度（δ）的函數(shù)，預(yù)測有113種材料適用于化學(xué)循環(huán)空氣分離（CLAS），85種材料適用于基于CL的CO2分解。作者驗證了這些DFT預(yù)測的有效性，總共有43種預(yù)測的化合物在以前的報道中得到驗證。
此外，作者還制備并評估了25種額外的模型預(yù)測材料，其中23種氧載體表現(xiàn)出令人滿意的性能，15種表現(xiàn)出優(yōu)于大多數(shù)先前報道氧載體的性能。
作者基于DFT的高通量篩選結(jié)果進一步開發(fā)ML模型，該模型顯示出令人滿意的準(zhǔn)確性。使用ML模型研究了227273種含有5種陽離子元素的鈣鈦礦的氧化還原熱力學(xué)，產(chǎn)生了約20000種有希望的氧載體候選物，該模型的預(yù)測通過DFT計算及對選定鈣鈦礦組合物的實驗研究得到進一步驗證。
有趣的是，基于DFT 和ML的高通量方法已經(jīng)篩選了許多具有優(yōu)異CL性能的氧載體組合物，例如與 CLAS的基準(zhǔn)氧載體相比，氧氣容量增加了三倍。如果采用傳統(tǒng)的氧載體設(shè)計方法，將不可能發(fā)現(xiàn)這些獨特的化合物，如Sr0.875K0.125Fe0.75Co0.125Ni0.125O3-δ和 Sr0.375La0.5Sm0.125Fe0.75Ti0.25O3-δ。
因此，本研究中為合理設(shè)計高性能氧載體開辟了一種新的策略，除了CL應(yīng)用之外，還可用于定制復(fù)雜氧化物的氧化還原特性。
High-throughput oxygen chemical potential engineering of perovskite oxides for chemical looping applications, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D1EE02889H
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