Machine-Learning Methods Enable Exhaustive Searches for Active Bimetallic Facets and Reveal Active Site Motifs for CO2 Reduction

双金属片 活动站点 密度泛函理论 催化作用 材料科学 电化学 金属间化合物 化学 计算化学 物理化学 有机化学 合金 电极 冶金 复合材料
作者
Zachary W. Ulissi,Michael T. Tang,Jianping Xiao,Xinyan Liu,Daniel A. Torelli,Mohammadreza Karamad,Kyle D. Cummins,Christopher Hahn,Nathan S. Lewis,Thomas F. Jaramillo,Karen Chan,Jens K. Nørskov
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:7 (10): 6600-6608 被引量:362
标识
DOI:10.1021/acscatal.7b01648
摘要

Bimetallic catalysts are promising for the most difficult thermal and electrochemical reactions, but modeling the many diverse active sites on polycrystalline samples is an open challenge. Here, we present a general framework for addressing this complexity in a systematic and predictive fashion. Active sites for every stable low-index facet of a bimetallic crystal are enumerated and cataloged, yielding hundreds of possible active sites. The activity of these sites is explored in parallel using a neural-network-based surrogate model to share information between the many density functional theory (DFT) relaxations, resulting in activity estimates with an order of magnitude fewer explicit DFT calculations. Sites with interesting activity were found and provide targets for follow-up calculations. This process was applied to the electrochemical reduction of CO<sub>2</sub> on nickel gallium bimetallics and indicated that most facets had similar activity to Ni surfaces, but a few exposed Ni sites with a very favorable on-top CO configuration. This motif emerged naturally from the predictive modeling and represents a class of intermetallic CO<sub>2</sub> reduction catalysts. These sites rationalize recent experimental reports of nickel gallium activity and why previous materials screens missed this exciting material. Most importantly these methods suggest that bimetallic catalysts will be discovered by studying facet reactivity and diversity of active sites more systematically.
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