Explainable molecular simulation and machine learning for carbon dioxide adsorption on magnesium oxide

吸附 分子动力学 材料科学 氧化物 均方误差 二氧化碳 分子描述符 计算机科学 热力学 化学 物理化学 机器学习 计算化学 数量结构-活动关系 数学 有机化学 物理 统计 冶金
作者
Honglei Yu,Dexi Wang,Yunlong Li,Gong Chen,Xueyi Ma
出处
期刊:Fuel [Elsevier BV]
卷期号:357: 129725-129725 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.fuel.2023.129725
摘要

The effects of the adsorption energy of CO2 within MgO at different temperatures were investigated by molecular dynamics simulations and experimentally verified. The adsorption mechanism of CO2 within MgO was discussed and explained qualitatively. The results indicated that the diffusive adsorption of CO2 by MgO was divided into two stages, and the ability of CO2 capture by the cubic MgO performed better than that by spherical MgO. The adsorption of CO2 by the cubic MgO was mainly physical and received the inhibited adsorption behavior at the high-temperature stage (>505 K). Herein, we established a comprehensive dataset of adsorption energies and quantitatively analyzed an adsorption energy prediction model using machine learning techniques. The results demonstrated that Decision Tree Regression (DTR) and K-nearest neighbor (KNN) algorithms offer satisfactory accuracy based on root mean square error (RMSE) and R2 evaluations. This approach enables efficient and precise prediction of adsorption energies without the need for labor-intensive molecular dynamics calculations. Furthermore, we explored the influence of various features (Crystal structure, The number of Mg, The number of CO2, Temperature, Pressure, Volume, and Bond energy) on prediction performance. Lastly, we globally evaluated the relative contributions of each feature across four sets of relatively effective algorithms. This comprehensive analysis enhances our understanding of the adsorption mechanism of magnesium oxide on carbon dioxide and provides valuable insights to guide the design of the next generation of high-performance magnesium oxide materials for carbon capture and storage.
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