Deciphering the Interfacial Catalysis of Metal–Oxide Nanocatalysts in CO 2 Hydrogenation through a Machine Learning Approach

纳米材料基催化剂 催化作用 化学 合理设计 多相催化 金属 纳米技术 工作(物理) 粒子(生态学) 金属颗粒 曲面(拓扑) 基质(化学分析) 化学物理 纳米颗粒 氢溢流 复杂系统
作者
Dandan Ren,Mei Hong,Ruiying Li,Yu Zhou,Zheng Wang,C.R. Li,Jieqiong Ding,Fusong Wang,Xingchen Liu,Weixin Huang,Xiaodong Wen,Z. Conrad Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (8): 8423-8436
标识
DOI:10.1021/jacs.5c19385
摘要

Understanding the structure-property relationship is of pivotal importance for the rational design of efficient solid catalysts yet persists as a significant challenge due to the inherent complexity of solid materials. Here, we present an efficient strategy to decipher the interfacial catalysis in metal-oxide nanocatalysts during CO2 hydrogenation through synergistically integrated experimental and theoretical investigations with machine learning (ML) algorithms. Using model Pd/CeO2 catalysts as a proof-of-concept system, the matched experimental and ML-predicted results demonstrate that given sufficient oxygen vacancy concentrations on the support matrix the catalytic performance is primarily governed by the nature of supported metals. Specifically, atomically dispersed Pd species exhibit exceptional intrinsic activity for CO production, which is attributed to its enhanced H spillover and hydrogenation capacities but weakened CO binding affinity. Further ML analysis indicates the sum surface d charge of supported metal as the principal factor governing catalytic performance among four types of typical intrinsic features influencing catalytic hydrogenation processes, which could be directly evaluated by a geometric descriptor of average coordination number of the metal on the support, associated with the metal particle size. This work provides a generalizable theoretical framework for understanding metal-oxide interfaces in CO2 hydrogenation and opens up a novel approach for catalytically fundamental studies to unravel the complex nature of heterogeneous catalysis.
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