博科园：本文为化学类
离子传导是指离子在物质内部从一个位置移动到另一个位置。离子通过点状缺陷，点状缺陷是原子排列不均匀的一种现象，原子排列一致的情况称为晶格。这种缓慢的过程有时会限制燃料电池、电池和其他能源存储技术的性能和效率。在确定固体材料哪些基本性能对改善这些应用至关重要之前，研究人员必须更好地理解控制离子传导的因素。为了追求这一知识，美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的一个多学科团队开发了一个计算框架来处理和分析离子传导固体的大型数据集。
研究人员使用了一个包含80多种不同组成的钙钛矿材料的数据集，主要集中于识别和优化那些具有良好质子传导能力的材料。这些新材料能够生产出更可靠、更高效的质子传导固体氧化物燃料电池：一种能将化学物质转化为电能用于实际用途(如为汽车提供动力)的储能设备，其研究结果发表在《物理化学与材料化学》期刊上。ORNL纳米材料科学中心(CNMS)首席研究员PanchapakesanGanesh说：我们正在寻找更好的离子导电材料，因为在任何用于燃料电池或电池的固体电解质中，离子移动得越快，设备的运行效率就越高。
图中显示了晶格畸变和质子结合能在不同环境下对质子传导的影响。减轻这种相互作用可以帮助研究人员提高固体材料的离子电导率。图片：USDepartmentofEnergy现在有了一个理解，这将帮助我们为开发这种材料提出新的设计原则。研究小组研究材料包括一种已知速度最快的质子导体，一种由钇(Y)取代锆(Zr)形成的复合锆钡(BaZrO3)改进型。钇是一种降低化合物总电荷以促进质子添加的元素。表现出这种行为的元素被称为受体掺杂剂，所讨论的材料通常被称为掺镱的BaZrO3，或Y-BZO。如果没有泰坦(Titan)超级计算机的计算能力，系统地在短时间内从钙钛矿数据集中筛选这么多候选是不可能的。泰坦是位于橡树岭领导力计算设施(OLCF)的CrayXK7超级计算机。
通过使用多个代码和一个名为wraprun的计算工具，OLCF工作人员帮助团队开发了一个针对Titan架构优化的自动化工作流。Ganesh说：我们与OLCF的工作人员紧密合作，建立了一个高度可伸缩的工作流，使我们能够同时使用泰坦上的数千个内核。这些模拟揭示了晶格畸变与质子结合能(从钙钛矿材料中分离质子所需的能量)之间的关系，可以使质子更重、速度更慢，从而抑制质子的最佳传导。这一发现有助于研究人员识别现有材料，并开发出能够与Y-BZO竞争的新材料，移动离子与晶格畸变的耦合是离子传导最重要的因素之一。
理解这种联系意味着我们可以选择性地设计出离子导电性更好的固体材料。除了这些结果对能源应用的实际好处之外，该团队的新发现还为科学概念提供了基本的见解。在理解是什么限制了现有材料中的质子传导的过程中，希望也能发现一些新物理现象，这都与潜在的原子机制有关。为了验证计算结果，研究小组成员进行了一系列互补实验，包括脉冲激光沉积、扫描透射电镜、时间分辨开尔文探针力显微镜、CNMS原子探针层析成像技术，以及散裂中子源(SNS)的中子散射。
CNMS、SNS和OLCF都是位于ORNL的能源部科学用户设施办公室，研究人员计划将研究范围扩大到质子和钙钛矿之外，以研究移动离子在其他种类材料中的行为。未来的发现可能会提高其他类型燃料电池以及锂离子电池的性能。用于研究掺杂钙钛矿的计算框架可以应用于其他类型的晶体无机固体，而这种大型缺陷数据集可用性使我们能够利用ORNL在先进人工智能技术方面的专长来加速材料发现。
博科园-科学科普｜研究/来自:美国能源部参考期刊文献:《物理化学A》,《材料化学》,《物理化学C》DOI:10./acs.jpcc.7bDOI:10./acs.chemmater.8b博科园-传递宇宙科学之美
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