2023年上半年新材料领域前沿科技发展态势

材料强国借助人工智能技术加快新材料研发。美国能源部阿贡国家实验室开发出结合了人工智能与机器人技术的“自动驾驶实验室”Polybot，简化了实验过程并节省了研发时间和研发成本；能源部橡树岭国家实验室开发出一种基于深度学习的软件包AtomAI，将深度学习应用于原子级分辨率的显微镜数据，从而提供可量化的物理信息，可作为研究人员观察原子和分子结构以理解和设计纳米级材料的重要工具；能源部布鲁克海文国家实验室开发出人工智能框架gpCAM，该框架可以自主定义和执行实验的所有步骤，无需人工干预即可创建材料的不同结构集的模型并在每次测量后进行自我更新，已辅助研究人员发现了3种新的纳米结构；威斯康星大学麦迪逊分校训练ChatGPT阅读学术文章、将关键数据制成表格并检查结果的准确性，以评估和搜索新型材料；得克萨斯农工大学利用人工智能材料选择框架发现了一种新的镍钛铜形状记忆合金。俄罗斯斯科尔科沃科技学院通过机器学习方法改进高熵碳化物的合成工艺以提高效率。瑞士洛桑联邦理工学院开发出一个框架化学数字生态系统Mofdscribe，允许集成计算建模、机器学习、数据挖掘和高通量筛选的代码，可以简化新材料的构思、建模和发布过程。日本统计数理研究所开发出用于设计分子和反应路径的机器学习算法和软件，可用于设计新分子并选择制造这些分子所需的化学反应；北海道大学使用化学合成机器人和具有计算成本效益的AI模型成功预测并验证了高选择性催化剂。

主要国家更加关注关键矿产回收设施建设和技术研发。美国能源部向Redwood Materials公司提供20亿美元贷款，用于建设电池材料回收和再制造综合设施；能源部阿贡国家实验室从能源部获得了350万美元的资金，用于推进电池回收技术并支持扩大国内电池材料的商业化生产规模；能源部向Li-Cycle提供3.75亿美元贷款，用于建设锂电池回收设施。德国慕尼黑工业大学开发出一种利用蓝藻菌株从水溶液中提取稀土元素的技术，该技术可用于从矿山、冶金或电子垃圾的废水中回收稀土。瑞典查尔姆斯理工大学开发出一种回收薄膜太阳能电池中贵重金属的方法，该方法可以在室温下回收电池中100%的银和大约85%的铟。新加坡科学技术研究局开发出将废弃的对苯二甲酸乙二醇酯塑料转化为锂离子电池聚合物电解质的方法。日本大阪府立大学开发出一种吸附酵母材料，该材料可有效回收温泉水中的微量（浓度低于10ppb）稀土元素。中国科学院福建物质结构研究所开发出一种利用盐酸甜菜碱回收永磁废料中高价值稀土元素的新方法，该方法可提取95%以上的镨、钕、镉等元素。

各国持续加大新型电池材料研发力度。美国能源部阿贡国家实验室开发出含硫中间层材料，提升了硫基电池的性能，并且几乎消除了硫基电池腐蚀的问题；能源部劳伦斯·伯克利国家实验室开发出一种导电聚合物涂层HOS-PFM，可提升锂离子电池性能；克莱姆森大学开发出六氰基铁酸锰钾阴极，并向电解质中添加铁离子，极大提升了钾离子电池的寿命和安全性；普渡大学发现提高可充电锂金属电池能量密度的方法，有望开发出高能量密度可充电锂金属电池并解决醚基电解质的电化学氧化不稳定性问题。德国慕尼黑工业大学开发出高锂离子电导率的磷化物基固体电解质材料ω-Li9TrP4，在室温下的锂离子电导率值为0.2-4.5mS/cm。新加坡科学技术研究局开发出将废弃的对苯二甲酸乙二醇酯塑料转化为锂离子电池聚合物电解质的方法，以制造环保电池组件。日本东京理科大学使用少量的锰代替Mg1.33V1.67O4系统中的部分钒，开发出一种新型镁电池阴极材料，具有良好的充放电性能；名古屋大学开发出一种用于燃料电池的新型超高磺酸密度聚合物电解质膜，其质子传导率可达0.93S/cm，约为市售PEM的6-10倍。澳大利亚皇家墨尔本理工大学开发出一种将二维材料MXene融入锂离子电池并可快速去除MXene表面氧化物的新方法，将锂离子电池的寿命延长至目前技术的3倍。

编辑丨郑实