《International Journal of Hydrogen Energy》：Bi/Cd synergistic engineering in quaternary TiFe alloys via feature expansion for enhanced hydrogen storage kinetics
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本研究基于机器学习构建四元TiFe合金预测模型，通过特征工程优化实现氢储材料高效设计。实验与理论验证表明，TiFe0.75Mn0.25三元合金及Ti0.875Bi0.125Fe0.875Cd0.125四元合金在吸氢动力学和晶格稳定性方面表现优异，其机制涉及电荷重分布与氢扩散通道协同效应。
田伟志|贾泽鹏|彭铁仁|王志国|高志凯|罗子山|孙曦|张航|周宇航|冯荣|袁宏宽|崔洪
陕西工业大学机械工程学院，中国陕西省汉中市723001
摘要
本研究建立了四种预测性机器学习模型，这些模型针对氢化物形成能和晶格膨胀进行了优化，以加速基于TiFe的氢存储合金的设计。在三元体系中，TiFe0.75Mn0.25表现出最佳的氢存储性能。实验验证证实了其吸附特性，其中温度依赖的密度数据（R2 > 0.96）为不同热时间条件下的重量密度提供了预测框架。在此基础上，通过特征工程将该模型扩展到四元体系，并确定Ti0.875Bi0.125Fe0.875Cd0.125为最佳候选材料。从头算动力学研究表明，与原始TiFe相比，该合金的氢吸附速率提高了10倍，这得益于氢扩散系数的显著增强。电子和晶格分析揭示了协同效应：Bi/Cd合金化促进了电荷重新分布，从而改善了氢的迁移，共同提升了氢存储动力学。本研究建立了一个基于机器学习的稳健设计框架，并为先进氢存储材料提供了原子级别的见解。
引言
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，因此成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。自1974年以来，研究表明TiFe合金在吸收氢气时会形成两种氢化物相：TiFeH～1.0（β）和TiFeH～2.0（γ）[15]。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。自1974年以来，研究表明TiFe合金在吸收氢气时会形成两种氢化物相：TiFeH～1.0（β）和TiFeH～2.0（γ）[15]。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
引言（续）
氢是一种清洁能源载体，具有高燃烧热值[1]、高能量密度[2]和无污染燃烧特性[3]，为化石燃料提供了替代方案[4,5]。然而，其广泛应用受到缺乏安全高效氢存储方法的限制。因此，开发可靠的存储技术对于推进氢能发展至关重要。固态氢存储相比低温液态氢存储[6]和高压气态氢存储[7]具有更低的成本和更高的安全性[6]，成为广泛研究的重点[8]。在各种固态氢存储选项中[9,10]，合金氢化物被认为具有特别大的潜力[11]。TiFe合金作为首个被报道的氢存储合金，由于其稳定的循环性能[12]、高体积氢密度（114 g/L）[13]、低成本以及接近室温的吸附和解吸条件[14]，仍是最有前景的候选材料。
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