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Machine Learning‐Aided Design of Highly Conductive Anion Exchange Membranes for Fuel Cells and Water Electrolyzers

材料科学 燃料电池 电导率 人口 费用交换 纳米技术 离子交换 离子 化学工程 单体 分子机器 计算机科学 复合材料 有机化学 聚合物 工程类 物理化学 化学 人口学 社会学 生物化学
作者
Qiuhuan Zhang,Yongjiang Yuan,Jiale Zhang,Pengda Fang,Ji Pan,Hao Zhang,Tao Zhou,Qikun Yu,Xiuyang Zou,Zhe Sun,Feng Yan
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (36): e2404981-e2404981 被引量:46
标识
DOI:10.1002/adma.202404981
摘要

Abstract Alkaline anion exchange membrane (AEM)‐based fuel cells (AEMFCs) and water electrolyzers (AEMWEs) are vital for enabling the efficient and large‐scale utilization of hydrogen energy. However, the performance of such energy devices is impeded by the relatively low conductivity of AEMs. The conventional trial‐and‐error approach to designing membrane structures has proven to be both inefficient and costly. To address this challenge, a fully connected neural network (FCNN) model is developed based on acid‐catalyzed AEMs to analyze the relationship between structure and conductivity among 180,000 AEM variations. Under machine learning guidance, anilinium cation‐type membranes are designed and synthesized. Molecular dynamics simulations and Mulliken charge population analysis validated that the presence of a large anilinium cation domain is a result of the inductive effect of N + and benzene rings. The interconnected anilinium cation domains facilitated the formation of a continuous ion transport channel within the AEMs. Additionally, the incorporation of the benzyl electron‐withdrawing group heightened the inductive effect, leading to high conductivity AEM variant as screened by the machine learning model. Furthermore, based on the highly active and low‐cost monomers given by machine learning, the large‐scale synthesis of anilinium‐based AEMs confirms the potential for commercial applications.
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