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A First-Principles and Machine Learning Study on Design of Graphitic Carbon Nitride-Based Single-Atom Photocatalysts

石墨氮化碳 Atom(片上系统) 氮化物 密度泛函理论 材料科学 氮化碳 碳纤维 电子结构 光催化 纳米技术 计算机科学 化学 计算化学 复合材料 图层(电子) 催化作用 复合数 有机化学 嵌入式系统
作者
F.-Q. Chen,Yongan Yang,Xing Chen
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (10): 11862-11870 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsanm.4c01412
摘要

Photocatalytic nitrogen fixation offers an efficient, environmentally friendly, and energy-saving approach for ammonia synthesis. In this study, semiconductor materials, particularly graphitic carbon nitride (g-C3N4) combined with single metal atoms, were theoretically investigated to identify promising candidates as nitrogen fixation photocatalysts. Initially, six different single 3d transition-metal atoms, i.e., V, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, were loaded onto g-C3N4, and the optimal single-atom catalyst, Fe@g-C3N4, was selected through reaction energy calculations. This catalyst demonstrated excellent performance in terms of the electronic structure and light absorption properties. Furthermore, machine learning methods were applied to a limited sample set to predict a catalyst with a superior performance beyond the computational samples. Utilizing a backward elimination method and sure independence screening and sparsifying operator (SISSO) training, the key descriptors correlated with the target properties of the catalysts were identified. The SISSO descriptors, consisting of structural and electronic characteristic parameters, are interpretable and provide meaningful insights. Importantly, a catalyst, Ru@g-C3N4, with outstanding performance was predicted and verified by density functional theory calculations. This catalyst design strategy demonstrates promising results with limited computational data, highlighting the potential of combining theoretical simulations with machine learning methods for catalyst design.
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