Rare earth modified carbon-based catalysts for oxygen electrode reactions: A machine learning assisted density functional theory investigation

密度泛函理论 催化作用 碳纤维 氧气 土(古典元素) 稀土 电极 化学工程 材料科学 无机化学 化学 物理化学 计算化学 冶金 复合材料 有机化学 物理 工程类 复合数 数学物理
作者
Qiming Fu,Tao Xu,Daomiao Wang,Chao Liu
出处
期刊:Carbon [Elsevier]
卷期号:223: 119045-119045 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2024.119045
摘要

The oxygen electrode reactions (oxygen reduction reaction, ORR and oxygen evolution reaction, OER) are two key reactions in applications such as metal-air batteries, however, slow kinetics have a significant impact on the overall reaction efficiency of the batteries, thus emphasizing the profound significance of catalyst development. In this study, we systematically investigated the catalytic activity of rare-earth-doped graphene (RENxC4-x) as electrocatalysts using a combination of density functional theory (DFT) and machine learning (ML). Furthermore, we successfully screened and identified one ORR catalyst, four OER catalysts, and one bifunctional electrocatalyst from candidate materials. The origins of activity were elucidated in two dimensions using the SHAP (SHapley Additive exPlanation) analysis framework and DFT calculations, revealing that atomic (covalent) radius and ΔG*OH are an important characteristics for describing ORR electrocatalysts, while Pauling electronegativity is crucial for describing OER. Finally, the explicit relationship expression between properties and activity was obtained using the SISSO method, and its generalizability was verified. The interdisciplinary approach of DFT-ML provides insights into the complex origins of activity, offering a new pathway for the discovery and design of high-performance single-atom catalysts (SACs).
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