摘要：六氟化硫（SF6）是性能优异的绝缘气体与灭弧介质，在各种高压电气设备中大量应用，但也是目前已知的最强温室气体，每公斤SF6造成的温室效应约与排放24吨CO2相当。在“双碳”目标驱动下，寻找能够直接替代SF6的环保绝缘气体是电力行业可持续发展的迫切需求。遗憾的是

英文原题：Virtual Screening of Novel Eco-Friendly Gaseous Dielectrics through Dimensionless Bond Decomposition and Machine Learning Algorithm

通讯作者：王宝山（武汉大学）

作者：Mi Zhang（张咪）, Hua Hou（侯华）, Baoshan Wang（王宝山）*

六氟化硫（SF6）是性能优异的绝缘气体与灭弧介质，在各种高压电气设备中大量应用，但也是目前已知的最强温室气体，每公斤SF6造成的温室效应约与排放24吨CO2相当。在“双碳”目标驱动下，寻找能够直接替代SF6的环保绝缘气体是电力行业可持续发展的迫切需求。遗憾的是，迄今仍未能发现在绝缘强度、液化温度、全球变暖潜势、毒性、灭弧能力、可燃等关键性能上优于SF6或与之相当的气体分子。通过大量的试错实验，从制冷剂、发泡剂、灭火剂等筛选出一些新型绝缘气体（例如：C4F7N、C5F10O、HFOs等），但均存在各种致命缺陷（例如：沸点高、稳定性差等）。为筛选潜在SF6替代气体人们提出了各种构效关系模型，然而预测精度与效率均不能满足准确筛选与理性设计的需求。首先描述符来源过于复杂，分子指纹参数冗余且缺乏解释、官能团存在主观性、电子结构参数难以设计；其次，模型仅针对某单一属性进行训练，而气体的绝缘、液化、温室效应、毒性、可燃性等属性之间相互依赖甚至矛盾，存在显著的耦合关联。因此，创新多维度构效关系模型是实现精准筛选与设计新型环保绝缘气体的关键。

本课题组首次提出了以“化学键”作为具备U3特征（即：unique、universal、unified）的描述符，构建了绝缘强度（Er）、液化温度（Tb）、全球变暖潜势（GWP）、急性与亚慢性吸入毒性（LC50、NOAEC）、燃弧自恢复电压上升速率（RRRV）、燃烧上、下限（LFL、UFL）共8个维度构效关系模型（图1），并基于全新的“键组装”分子设计理念，通过高通量筛选与分子设计，发现了一系列潜在的新型环保绝缘气体，为突破SF6气体替代瓶颈提供了全新方向。

图1. 基于键描述符的构效关系模型示意图

化繁为简：将化学键成为构效关系模型的统一“语言”

本文突破了传统分子描述符的应用局限，提出化学键描述符——基于分子的SMILES字符串表达式，自动拆解成C–H、C–F、S=O等化学键键的唯一计数符，再辅以最大F取代数、顺反、环、支链等描述构型或构象的二级参数描述成键环境。与电子结构、二维/三维复杂描述符相比，键描述符具备零维度、唯一性与通用性，避免了经验描述符的偏差。

网络升级：八维度宏观属性进行同步预测

针对新气体的Er、Tb、GWP、RRRV、LC50、NOAEC、LFL、UFL八项关键指标，构建了耦合的人工神经网络模型，并对各种超参数进行显式寻优，所有模型的相关系数均超过0.95，多组测试集误差均与训练集几乎一致，稳定性较好（图2）；Williams杠杆分析表明大于90%的化合物落在适用域范围内，预测结果高度可靠。

图2. 多维度神经网络模型预测效果

设计机制：可视化权重全面指导分子设计

通过归一化权重分析，获得了“分子化学键-气体性能”的物理对应关系，为通过调整特定化学键的个数或环境以获得满足多维度指标的分子结构指明了方向。针对PubChem数据库中数以亿计的分子，依据构效关系模型进行层层筛选，并逐一打分排序（图3），最终获得了多种具有优秀均衡性能的潜在候选替代气体。值得指出的是，此模型将C4F7N、HFOs等已知气体分子筛选出来，进一步验证了化学键模型的正确性。

图3.（a）候选气体筛选示意图；（b）部分SF6替代气体结构

结论

本文首次提出并证明化学键可作为多维度构效关系模型的描述符，实现了从分子结构到8维度关键性能的直接精准预测，为破解SF6替代气体分子的筛选与设计难题奠定了理论基础。

Virtual Screening of Novel Eco-Friendly Gaseous Dielectrics through Dimensionless Bond Decomposition and Machine Learning Algorithm

Mi Zhang, Hua Hou, Baoshan Wang*

J. Phys. Chem. A2025, 129, 30, 6959–6972

Published July 17, 2025

Copyright © 2025 American Chemical Society

作者信息

张咪，武汉大学化学与分子科学学院，博士，主要从事量子化学计算、分子模拟、分子设计等理论研究。发表各类SCI/EI学术论文20余篇，授权发明专利1项，获国家励志奖学金、武汉大学优秀学业奖学金、蓝月亮奖学金等。

侯华，武汉大学化学与分子科学学院副教授，研究方向为理论与计算化学。主持国家自然科学基金2项，参与国家重点研发计划课题2项，国家自然科学基金联合重点项目1项、国家自然科学基金重大项目1项，发表SCI/EI期刊论文100余篇，出版《分子模拟实验》、《环保绝缘气体的介电强度与分子设计》等著作。

王宝山，武汉大学化学与分子科学学院教授，博士生导师，项目团队负责人。主要从事量子化学计算、分子动力学模拟、构效关系模型与分子设计等方面的研究工作。获中国电工技术学会科学技术奖一等奖、电力科学技术一等奖等，发表学术论文100余篇，带领研究团队先后开展了国家重点研发计划项目课题“环保绝缘气体的分子设计和制备技术”、“新型环保绝缘气体分子结构与理化特性”研究工作。

来源：X一MOL资讯