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CaTS: Toward Scalable and Efficient Transition State Screening for Catalyst Discovery

催化作用 药物发现 可扩展性 化学 过渡态模拟 纳米技术 计算机科学 组合化学 材料科学 活动站点 生物化学 数据库 嵌入式系统
作者
Jun Yin,Wentao Li,Honghao Chen,Ju Qiu,Huasheng Feng,Xiangya Xu,Qiuyan Jin,Xiaonan Wang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (18): 15754-15764 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c03945
摘要

Large-scale screening of materials via machine learning is emerging as an effective strategy for accelerating scientific discovery and industrial applications. Machine learning methods for transition state (TS)-based screening for catalysts remain underexplored due to the scarcity of TS data sets and the inherent challenges of TS searching tasks. Here, we present a framework for large-scale transition states screening for catalysts (CaTS), which uniquely bridges microscopic reaction kinetics and macroscopic computational efficiency by leveraging TS energy, a mechanistically rigorous yet computationally prohibitive descriptor. CaTS integrates automated structure generation with a machine learning force field-based nudged elastic band (NEB) method, enabling high-throughput TS exploration at 104 the speed of density functional theory (DFT). Initially optimized and validated on a small-molecule TS database comprising 10,000 reactions (achieving sub-0.2 eV errors in TS energy prediction) and further applied to a metal–organic complex catalyst (0.16 eV MAE with only 327 training samples), CaTS achieves DFT-level accuracy at 0.01% computational cost. Scaling to over 1000 unseen metal–organic complex structures, it identifies top candidates validated by rigorous DFT. AI-assisted analysis using ChatGPT o3 and SHAP confirms that the predictions are consistent with mechanistic heuristics, providing theoretical validation for large-scale prediction. This paradigm shift from static descriptors to kinetic-resolution screening enables industrial-scale catalyst discovery with atomistic precision.
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