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駱靜利/符顯珠AFM: 通過基于描述符的機器學習實現卓越的電催化劑設計

駱靜利/符顯珠AFM: 通過基于描述符的機器學習實現卓越的電催化劑設計
機器學習(ML)正在成為一種強大的工具,可通過從歷史數據中學習而無需顯式編程來識別定量結構-活性關系以加速電催化劑設計。算法、數據/數據庫和描述符通常是ML的決定性因素,而描述符在電催化中起著舉足輕重的作用,因為它們包含了物理化學性質的催化本質。
駱靜利/符顯珠AFM: 通過基于描述符的機器學習實現卓越的電催化劑設計
在此,深圳大學駱靜利教授、符顯珠教授等人從電催化劑設計描述符的選擇策略及ML對析氫反應(HER)、析氧反應(OER)、氧還原反應(ORR)、CO2還原反應(CO2RR)和氮還原反應(NRR)等挑戰的改進,總結了ML在電催化領域的應用。
具體而言,為了闡明描述符選擇策略,作者詳細討論了電催化定量表示的幾何、電子和活性描述符。此外,還綜述了ML在應對電催化領域挑戰方面的進展,包括減少貴金屬負載、提高催化活性和打破吸附中間體的線性關系等。隨后,討論了ML在電催化研究中的局限性、問題等。最后,針對潛在的能量存儲和轉換應用,例如氫、甲醇、乙醇氧化反應及鋰硫電池的硫氧化反應,給出了電催化劑設計中ML應用的挑戰和前景。
駱靜利/符顯珠AFM: 通過基于描述符的機器學習實現卓越的電催化劑設計
圖1. 基于態密度和ML預測的尖晶石氧化物OER機制
作者展望了電催化劑設計中ML應用的挑戰和前景:
(1)缺乏ML應用程序的標準數據集限制了其更廣泛的適用性。
(2)如何有效地從ML中提取物理洞察力也是一個巨大的挑戰,適當的描述符選擇、ML方法的交叉驗證及理論、實驗數據的相互驗證可能是潛在的有效方法。
(3)真實電催化環境下ML學習數據的缺乏是對真實電催化預測的一個挑戰。
(4)ML在電催化中的應用缺乏標準方法和系統指導也是一個挑戰。
(5)目前對電催化劑設計的經驗ML分析仍然有限,隨著現代技術的發展以及對新型電催化劑的需求不斷增長,ML無疑將在其輔助設計中發揮越來越大的作用。
駱靜利/符顯珠AFM: 通過基于描述符的機器學習實現卓越的電催化劑設計
圖2. 人工神經網絡用于設計高效的NRR電催化劑
Toward Excellence of Electrocatalyst Design by Emerging Descriptor-Oriented Machine Learning, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202110748

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