High throughput screening of single atomic catalysts with optimized local structures for the electrochemical oxygen reduction by machine learning

过电位 电化学 催化作用 密度泛函理论 氧还原 氧还原反应 均方误差 电子结构 金属 碳纤维 纳米技术 材料科学 化学 计算机科学 电极 计算化学 算法 物理化学 统计 有机化学 数学 复合数
作者
Hao Sun,Yizhe Li,Liyao Gao,Mengyao Chang,Xiangrong Jin,Boyuan Li,Qingzhen Xu,Wen Liu,Mingyue Zhou,Xiaoming Sun
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:81: 349-357 被引量:50
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2023.02.045
摘要

Single atomic catalysts (SACs), especially metal-nitrogen doped carbon (M−NC) catalysts, have been extensively explored for the electrochemical oxygen reduction reaction (ORR), owing to their high activity and atomic utilization efficiency. However, there is still a lack of systematic screening and optimization of local structures surrounding active centers of SACs for ORR as the local coordination has an essential impact on their electronic structures and catalytic performance. Herein, we systematic study the ORR catalytic performance of M−NC SACs with different central metals and environmental atoms in the first and second coordination sphere by using density functional theory (DFT) calculation and machine learning (ML). The geometric and electronic informed overpotential model (GEIOM) based on random forest algorithm showed the highest accuracy, and its R2 and root mean square errors (RMSE) were 0.96 and 0.21, respectively. 30 potential high-performance catalysts were screened out by GEIOM, and the RMSE of the predicted result was only 0.12 V. This work not only helps us fast screen high-performance catalysts, but also provides a low-cost way to improve the accuracy of ML models.
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