M-N4-Gr/MXene Heterojunction Nanosheets as Oxygen Reduction and Evolution Reaction Catalysts: Machine Learning and Density Functional Theory Insights

过电位 催化作用 双功能 密度泛函理论 析氧 异质结 纳米片 材料科学 化学工程 化学 纳米技术 电化学 物理化学 计算化学 光电子学 电极 工程类 生物化学
作者
Yunjian Chen,Hong Cui,Qi Jiang,Xue Bai,Pengyue Shan,Zepeng Jia,Sen Lu,Pei Song,Rong Feng,Qin Kang,Zhiyong Liang,Hongkuan Yuan
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (9): 7694-7703 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acsanm.3c00851
摘要

MXene nanosheet materials with fast charge transfer characteristics and superior electrical conductivity are popular candidates for oxygen electrocatalysts. In this paper, the oxygen reduction and evolution reaction (ORR and OER, respectively) catalytic activities of 78 M-N4-Gr/MXene (Ti2C, Nb2C, and V2C) heterostructure nanosheets were investigated based on density functional theory (DFT) calculations and machine learning (ML) predictions. The random forest regression (RFR) algorithm proved to be the most desirable ML model for the prediction of catalytic activity with ORR/OER root mean square errors of 0.10 and 0.23 V, respectively. The obtained results show that Ni-N4-Gr/Nb2C (η*ORR = 0.31 V) and Ni-N4-Gr/V2C (η*ORR = 0.32 V) are effective ORR catalysts (prediction error of 0.03 V only), Ru-N4-Gr/Nb2C (η*OER = 0.40 V) is a promising OER catalyst, and Co-N4-Gr/V2C (η*ORR = 0.45 V/η*OER = 0.30 V) is an excellent bifunctional catalyst. Through further model analysis, the d band center of the metal active site was determined to be the most effective descriptor and a volcano curve relationship between the intrinsic descriptor and the overpotential was established based on the characteristic importance and Pearson correlation. The research approach adopted in this study may be used to screen and design other MXene heterojunction catalysts and remarkably accelerate catalyst design for many significant reactions.
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