课题基金 / 基金详情

基于数据挖掘与机器学习的重要能源转化过程电催化剂的设计与创新

批准号:
21933006
项目类别:
重点项目
资助金额:
300.0 万元
负责人:
周震
依托单位:
学科分类:
化学模拟与应用
结题年份:
2024
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
周震

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
燃料电池和金属空气电池是大规模能源转化与储存领域中极具前景的技术。电催化还原CO2、N2等生成燃料或高附加值化学品也是被寄予厚望的研究方向。上述研究的关键都在于高效电催化剂的研发。本项目中,我们首先利用第一性原理计算设计电催化剂并研究其催化性能,建立催化反应数据库。进而基于所建数据库进一步深入分析催化剂的化学组成、原子结构、电子结构等重要参数,并利用机器学习中神经网络和回归分析等算法,训练机器学习催化剂性质与催化活性之间的关系,获得可以准确描述催化活性的结构描述符,利用结构描述符快速评测催化活性,摆脱对高耗时量子化学计算的依赖,为快速大规模搜寻高效催化剂提供理论依据。
英文摘要
Fuel cells and metal-air batteries are promising technologies for large-scale energy conversion and storage. Electrocatalytic reduction of CO2 and N2 to fuels and chemicals with high added value is also a hopeful direction in this field. The key in the above research lies in the development of high-efficiency electrocatalysts. In this proposal we will first design novel electrocatalysts and investigate the corresponding catalytic performance by means of first-principles computations. Then we will establish a reaction database based on the results. By means of machine learning algorithms such as neural networks and regression analysis, with the chemical composition, atomic and electronic structure as the input, and the catalytic activity as output, the relationship between them can be obtained from the reaction database. The objective of this proposal is to obtain a reactivity descriptor and establish a quantitative relationship between the catalytic performance and the descriptor. Finally, the catalytic performance can be evaluated accurately and quickly, without conventional dependence on highly time-consuming quantum chemical computations. It is expected that this project could build the theoretical foundation for accelerating the development of outstanding electrocatalysts.
“碳达峰、碳中和”目标的早日实现需加大可再生能源的有效利用,而基于电化学的能源转化为清洁能源发电提供了重要应用场景。在这一过程中,高效电催化剂的研发与催化机理的探索是提升能源转化效率的关键。项目组通过高通量计算、机器学习及实验结合,在催化剂的高效筛选及近工况下催化机理的原子尺度探索进行了系统性工作,为未来催化剂的设计研发奠定了理论及工具基础。结合材料基因数据库、高通量计算及机器学习模型,发展了高效筛选电催化剂的通用流程,所筛选的催化剂部分已得到实验验证;基于恒电势隐式溶剂模型,通过模拟接近真实的电化学反应环境阐明了Fe-N-C催化剂活性中心结构及其催化氧还原反应的机理,揭示了动态活性位点的重要作用;搭建巨正则系综动力学模块,结合变电子神经网络势函数,构建恒电势界面电催化反应模拟器,突破了传统从头算分子动力学时空尺度的限制,为复杂体系长时间恒电势电催化机理研究奠定了工具基础;基于计算结果,设计合成电催化剂,并表现出高效的电催化活性。以上工作对于高效电催化剂的筛选设计及复杂体系的界面电催化机理研究具有推动作用。
二维材料电催化还原二氧化碳的构效关系与高效电催化剂的理性设计
  • 批准号:
    91845112
  • 项目类别:
    重大研究计划
  • 资助金额:
    76.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    周震
  • 依托单位:
金属离子与碳基材料相互作用机制及相应电极材料设计
  • 批准号:
    21773126
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    周震
  • 依托单位:
从Li-O2电池到Li-CO2电池:反应机理的计算研究与正极催化剂的设计
  • 批准号:
    21473094
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    86.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    周震
  • 依托单位:
无机石墨烯:计算设计、性能预测与应用探索
  • 批准号:
    21273118
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    78.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    周震
  • 依托单位:
国内基金
海外基金