Symbolic Transformer Accelerating Machine Learning Screening of Hydrogen and Deuterium Evolution Reaction Catalysts in MA2Z4 Materials

密度泛函理论 材料科学 催化作用 吉布斯自由能 机器学习 物理化学 热力学 计算化学 计算机科学 原子物理学 量子力学 物理 化学 生物化学
作者
Jingnan Zheng,Xiang Sun,Jiaxi Hu,Shibin Wang,Zihao Yao,Shengwei Deng,Xiang Pan,Zhiyan Pan,Jianguo Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (43): 50878-50891 被引量:43
标识
DOI:10.1021/acsami.1c13236
摘要

Two-dimensional (2D) materials have been developed into various catalysts with high performance, but employing them for developing highly stable and active nonprecious hydrogen evolution reaction (HER) catalysts still encounters many challenges. To this end, the machine learning (ML) screening of HER catalysts is accelerated by using genetic programming (GP) of symbolic transformers for various typical 2D MA2Z4 materials. The values of the Gibbs free energy of hydrogen adsorption (ΔGH*) are accurately and rapidly predicted via extreme gradient boosting regression by using only simple GP-processed elemental features, with a low predictive root-mean-square error of 0.14 eV. With the analysis of ML and density functional theory (DFT) methods, it is found that various electronic structural properties of metal atoms and the p-band center of surface atoms play a crucial role in regulating the HER performance. Based on these findings, NbSi2N4 and VSi2N4 are discovered to be active catalysts with thermodynamical and dynamical stability as ΔGH* approaches to zero (-0.041 and 0.024 eV). In addition, DFT calculations reveal that these catalysts also exhibit good deuterium evolution reaction (DER) performance. Overall, a multistep workflow is developed through ML models combined with DFT calculations for efficiently screening the potential HER and DER catalysts from 2D materials with the same crystal prototype, which is believed to have significant contribution to catalyst design and fabrication.
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