Effective Screening Descriptors of Metal–Organic Framework-Supported Single-Atom Catalysts for Electrochemical CO2 Reduction Reactions: A Computational Study

催化作用 选择性 电化学 可转让性 氧化还原 限制 金属有机骨架 分子描述符 化学 组合化学 生物系统 计算化学 数量结构-活动关系 物理化学 电极 机器学习 计算机科学 立体化学 有机化学 机械工程 罗伊特 吸附 工程类 生物
作者
Li-Hui Mou,Jiahui Du,Yanbo Li,Jun Jiang,Linjiang Chen
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:14 (17): 12947-12955
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c03937
摘要

Metal–organic framework-supported single-atom catalysts (SACs@MOF) show considerable promise in CO2 reduction reactions (CO2RR). However, efficiently screening and designing optimal catalysts is hindered by the lack of effective descriptors for encoding the complex chemical microenvironments in SAC@MOF systems. Herein, through combining an intuition-guided dimensionality reduction strategy with machine learning (ML), we identified critical descriptors based on atomic features and the SAC's constrained coordination geometry, which capture the effects of complex chemical microenvironments on electrochemical CO2RR activity and selectivity for UiO-66-supported SACs. With these descriptors, accurate ML models were developed to predict the limiting potentials for producing HCOOH, CO, and CH4/CH3OH on 48 SACs@UiO-66-X (X = H, NH2, and Br). Moreover, the transferability of the developed descriptors and ML models was demonstrated on 48 additional systems with X = CH3, OH, and NO2. The accuracy of the predicted activity trends for specific SACs combined with different linker groups and the selectivity of the top-performing catalysts were validated through additional DFT calculations. This study provides an effective framework for understanding and modulating chemical microenvironments, enhancing the design and development of MOF-supported SACs for the CO2RR.
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