高通量DFT筛选多组元高效脱氢电极材料

在当今精细化工和清洁能源转化过程中，脱氢反应起着至关重要的作用。例如，丰富的饱和烃类需要经过脱氢过程转化为烯烃、炔烃和芳香族化合物等下游高附加值产品，而H–O键的断裂则是热化学水裂解制氢的前提步骤。然而，传统脱氢技术往往依赖于高温（> 800 °C）和高压条件，不仅能耗大，还易产生大量副产物和温室气体排放，环境与经济成本较高。

近年来，质子陶瓷电解池（PCECs）作为一种新兴的固态电化学器件，凭借中温运行（400–700 °C）、良好的选择性、高能效以及低碳排放的优势，逐渐被认为是高效清洁脱氢反应技术的理想选择。不过，PCEC中空气电极材料的开发仍面临挑战，目前多依赖昂贵的贵金属或传统固体氧化物燃料电池材料，无法兼顾性能与成本。

华南理工大学陈燕教授和香港城市大学赵仕俊教授合作，利用高通量第一性原理计算方法，系统研究了不同杂质元素对于Ba(Zr,Co,Fe,M)O₃材料缺陷化学的影响机制。通过分析杂质元素种类与氧空位形成能、水合能之间的相关性，从563种候选材料中筛选出了一系列高效电极材料，并通过实验成功验证了这些材料对于水分解和乙烷脱氢反应具有优异的催化性能。

研究团队系统揭示了杂质掺杂对材料缺陷化学的调控机制，首先在多组元体系中证实了氧空位形成能与水合能这两个性能指标之间存在的竞争关系，突破了以往仅限于单掺杂体系的理论认知。通过系统分析掺杂元素的氧化态、离子半径、电子结构等影响因素，发现三价掺杂元素（如Y、Yb、Tm等）凭借其适中的离子半径与匹配的价态特性，可有效实现氧空位形成能与水合能的协同调控，从而优化电极反应活性。

进一步研究表明，通过提高材料组分的无序度（构型熵）有助于降低氧空位形成能。特别在较高比例的主元变价主体元素（如Co + Fe）条件下，体系不仅可以表现出较高的电子导电性，更实现了两个关键性能指标的协同优化。基于这些重要发现，研究团队构建了二维能量图谱，快速筛选出一系列潜在的具有高效脱氢活性的候选电极材料。