化學循環（CL）代表了一種通用的、新興的可持續化學和能源轉換策略。由于不同應用對熱力學性能的要求不同，設計具有合適氧化還原性能的金屬氧化物氧載體仍然是CL面臨的最關鍵挑戰之一。氧載體的設計空間已從負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計空間。
在此，美國北卡羅來納州立大學李凡星教授等人使用SrxA1-xFeyB1-yO3-δ作為模型系統，開發并實驗驗證了基于DFT和機器學習（ML）的高通量模擬方法以合理調整鈣鈦礦氧化物的氧化還原氧化學勢。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℃）內靈活調整混合氧化物的平衡氧分壓（超過20個數量級，10-21~0.1 atm）。
作者模擬了含多達4種陽離子元素的2401種鈣鈦礦氧化物的氧化學勢作為其氧空位濃度（δ）的函數，預測有113種材料適用于化學循環空氣分離（CLAS），85種材料適用于基于CL的CO2分解。作者驗證了這些DFT預測的有效性，總共有43種預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種額外的模型預測材料，其中23種氧載體表現出令人滿意的性能，15種表現出優于大多數先前報道氧載體的性能。
作者基于DFT的高通量篩選結果進一步開發ML模型，該模型顯示出令人滿意的準確性。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，產生了約20000種有希望的氧載體候選物，該模型的預測通過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的高通量方法已經篩選了許多具有優異CL性能的氧載體組合物，例如與 CLAS的基準氧載體相比，氧氣容量增加了三倍。如果采用傳統的氧載體設計方法，將不可能發現這些獨特的化合物，如Sr0.875K0.125Fe0.75Co0.125Ni0.125O3-δ和 Sr0.375La0.5Sm0.125Fe0.75Ti0.25O3-δ。
因此，本研究中為合理設計高性能氧載體開辟了一種新的策略，除了CL應用之外，還可用于定制復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
原創文章，作者：v-suan，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/14/6bd74af561/
