Artificial Intelligence to Accelerate the Discovery of N2 Electroreduction Catalysts

催化作用 法拉第效率 密度泛函理论 限制 氧化还原 化学空间 化学 电化学 缩放比例 材料科学 化学物理 物理化学 计算化学 数学 无机化学 工程类 几何学 机械工程 药物发现 生物化学 电极
作者
Myungjoon Kim,Byung Chul Yeo,Youngtae Park,Hyuck Mo Lee,Sang Soo Han,Dong-Hun Kim
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:32 (2): 709-720 被引量:71
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.9b03686
摘要

The development of catalysts for the electrochemical N2 reduction reaction (NRR) with a low limiting potential and high Faradaic efficiency is highly desirable but remains challenging. Here, to achieve acceleration, we develop and report a slab graph convolutional neural network (SGCNN), an accurate and flexible machine learning (ML) model that is suited for probing surface reactions in catalysis. With a self-accumulated database of 3040 surface calculations at the density-functional-theory (DFT) level, SGCNN predicted the binding energies, ranging over 8 eV, of five key adsorbates (H, N2, N2H, NH, NH2) related to NRR performance with a mean absolute error (MAE) of only 0.23 eV. SGCNN only requires the low-level inputs of elemental properties available in the periodic table of elements and connectivity information of constituent atoms; thus, accelerations can be realized. Via a combined process of SGCNN-driven predictions and DFT verifications, four novel catalysts in the L12 crystal space, including V3Ir(111), Tc3Hf(111), V3Ni(111), and Tc3Ta(111), are proposed as stable candidates that likely exhibit both a lower limiting potential and higher Faradaic efficiency in the NRR, relative to the reference Mo(110). The ML work combined with a statistical data analysis reveals that catalytic surfaces with an average d-orbital occupation between 4 and 6 could lower the limiting potential and potentially overcome the scaling relation in the NRR.
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