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Machine Learning-Guided Coordination Engineering of M–N–C Single-Atom Electrocatalysts for Superior Oxygen Reduction

化学 催化作用 电化学 密度泛函理论 还原(数学) 配位复合体 理论(学习稳定性) 选择性 纳米技术 氧还原 氧还原反应 协调数 电化学储能 金属 电催化剂 组合化学 反应条件 电化学能量转换 桥(图论) 生物系统 反应机理 生化工程 可持续能源 结构稳定性 复杂系统 氧气 化学稳定性
作者
Yuhui Tian,Li Zhai,Bernt Johannessen,Pria Ramkissoon,Shuai Bi,Meng Li,An Zhang,Dong-sheng Li,Qifeng Zheng,Shanqing Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (5): 5574-5584 被引量:4
标识
DOI:10.1021/jacs.5c20189
摘要

Precisely tailoring metal–nitrogen-carbon (M–N–C) single-atom catalysts (SACs) with high catalytic activity and selectivity for specific chemical reactions remains challenging due to the lack of a qualitative descriptor between their catalytic properties and coordination geometries. Herein, we bridge this gap by integrating density functional theory (DFT) calculations with machine learning (ML) algorithms to deconvolute the electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR) activity of M–N–C SACs across various possible coordination configurations. By correlating the theoretical overpotentials with structural features, an interpretable descriptor simultaneously reflecting the coordination number and the metal–support interaction is identified. This descriptor not only reliably describes the ORR performance trends across diverse metal centers in SACs but also provides a general guideline for engineering coordination geometry to optimize catalytic performance. Guided by these insights, the predicted Cu-SAC featuring low-coordinated Cu–N 3 moieties is synthesized, delivering remarkable ORR activity compared with the conventional Cu–N 4 sites while maintaining robust structural stability under prolonged electrochemical operation. This study highlights the exceptional potential of interpretable ML combined with theoretical and experimental strategies in elucidating complex structure–property relationships in SACs and accelerating the development of next-generation electrocatalysts for sustainable and efficient energy conversion.
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