Revolutionizing Membrane Design Using Machine Learning-Bayesian Optimization

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作者
Haiping Gao,Shifa Zhong,Wenlong Zhang,Thomas Igou,Eli Matthew Berger,Elliot Reid,Yangying Zhao,Dylan R Lambeth,Lan Gan,Moyosore A. Afolabi,Zhaohui Tong,Guanghui Lan,Yongsheng Chen
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (4): 2572-2581 被引量:94
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c04373
摘要

Polymeric membrane design is a multidimensional process involving selection of membrane materials and optimization of fabrication conditions from an infinite candidate space. It is impossible to explore the entire space by trial-and-error experimentation. Here, we present a membrane design strategy utilizing machine learning-based Bayesian optimization to precisely identify the optimal combinations of unexplored monomers and their fabrication conditions from an infinite space. We developed ML models to accurately predict water permeability and salt rejection from membrane monomer types (represented by the Morgan fingerprint) and fabrication conditions. We applied Bayesian optimization on the built ML model to inversely identify sets of monomer/fabrication condition combinations with the potential to break the upper bound for water/salt selectivity and permeability. We fabricated eight membranes under the identified combinations and found that they exceeded the present upper bound. Our findings demonstrate that ML-based Bayesian optimization represents a paradigm shift for next-generation separation membrane design.
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