Machine Learning-Driven Global Optimization of Single-Atom Catalyst-Mediated Advanced Oxidation Processes

催化作用 Atom(片上系统) 化学工程 计算机科学 化学 环境科学 工艺工程 工程类 并行计算 有机化学
作者
Wenjie Gao,Yongsheng Xu,Xianglin Chang,Xing Xu,Ning Li,Beibei Yan,Guanyi Chen,Xiaoguang Duan
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (44): 24044-24054 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c07237
摘要

Single-atom catalysts (SACs) are state-of-the-art for advanced oxidation processes (AOPs) for purifying water contaminants. While previous studies have explored individual influencing factors, such as the central metal species and coordination environment, reaction conditions, or contaminant molecular properties, the combined effects of these variables on AOP kinetics and thermodynamics remain poorly understood. Here, we propose a machine learning model based on a global optimization strategy that leverages a random forest model to predict pollutant degradation performance with high accuracy. The d electron number of the central metal and the average electronegativity of the coordination environment are identified as key descriptors in determining AOP performances. Theoretical calculations, including charge density distribution, adsorption energy, projected density of states, and crystal orbital Hamilton population metrics, reveal strong linear relationships between these descriptors and peroxymonosulfate activation energy. Global optimization analysis reveals that the optimal catalyst configuration requires metals possessing 5-7 d electrons, combined with coordination environments with average electronegativity values below 3.04. In addition, contaminant characteristics significantly affect degradation performances. Specifically, faster pollutant degradation is realized for organics with energy gaps below 3.92 eV and dipole moments greater than 7 D. This study offers a machine learning-guided pathway for intelligent design of SACs for effective AOP-based purification systems.
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