Coupling High-Throughput Experiments and Regression Algorithms to Optimize PGM-Free ORR Electrocatalyst Synthesis

梯度升压 回归 支持向量机 电催化剂 计算机科学 算法 回归分析 机器学习 化学 数学 电化学 统计 随机森林 电极 物理化学
作者
Mohammad Rezaul Karim,Magali Ferrandon,Samantha Medina,Elliot Sture,Nancy N. Kariuki,Deborah J. Myers,Edward F. Holby,Piotr Zelenay,Towfiq Ahmed
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:3 (9): 9083-9088 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acsaem.0c01466
摘要

Over the past decades, significant improvement has been achieved in the performance of platinum group metal-free (PGM-free) materials as an alternative to Pt-based electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR). However, further progress in ORR activity requires evaluation of precursors and synthesis approaches. In response to this challenge, we generated a first of its kind experimental data set of 36 samples using high-throughput synthesis and activity measurements. Several control parameters (e.g., Fe precursor identity, the precursor content, and pyrolysis temperature) were varied. We then developed several state-of-the-art machine learning (ML) based regression models to predict ORR activity, dependent on selected synthesis variables. Through an iterative algorithm, higher prediction accuracy (smaller root-mean-square error) was achieved. We identified that gradient boosting regression (GBR) and support vector regression (SVR), among several methods, work best for this data set. Aided by our ML-based surrogate models, we decided to alter catalyst synthesis conditions, which resulted in a 36% increase in measured ORR activity in comparison to the maximum ORR mass activity value of 21.9 A/gcatalyst in the original data set. This combined experiment and machine learning approach represents a promising path forward toward developing highly efficient next-generation ORR electrocatalysts and, more generally, functional materials.

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