Machine Learning-Guided Discovery of Underlying Decisive Factors and New Mechanisms for the Design of Nonprecious Metal Electrocatalysts

直觉 催化作用 计算机科学 生化工程 合理设计 氧还原 人工智能 机器学习 化学 材料科学 纳米技术 工程类 认知科学 有机化学 物理化学 心理学 电化学 电极
作者
Rui Ding,Yawen Chen,Pïng Chen,Ran Wang,Jiankang Wang,Yiqin Ding,Wenjuan Yin,Yide Liu,Jia Li,Jianguo Liu
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:11 (15): 9798-9808 被引量:51
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c01473
摘要

Numerous previous studies have investigated how different synthesis parameters affect the chemical properties of catalysts and their performances. However, traditional trial and error optimization in comprehensive multiparameter spaces that is driven by chemical intuition may cause influencing factors to be artificially ignored. Hence, we introduce machine learning to provide insights by feature ranking based on data sets. Taking zeolite imidazole framework-derived oxygen reduction catalysts as an example, computing results reveal that pyridinic nitrogen species are strongly related to catalytic performance. Besides pyrolysis temperature, pyrolysis time, which has not been set as variable by the vast majority of studies, is discovered to be decisive at the synthesis level. Guided by these predictions, the insights of the algorithm are verified by control experiments. The characterization results and interpretable model reveal an ignored mechanism. Continuous processes that successively affect pyridinic species, including the loss of Zn–N species, formation of Fe–N species, and conversion into graphitic N species, resulted in a volcano-like relationship between the half-wave potential and the pyrolysis time. This work not only provides insights into catalyst design but also proves that machine learning has the ability to mine key factors and mechanisms concealed in complex experimental data to boost the optimization of energy materials.
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