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Progressive Learning‐Guided Discovery of Single‐Atom Metal Oxide Catalysts for Acidic Oxygen Evolution Reaction

过电位 析氧 催化作用 密度泛函理论 过渡金属 氧化物 化学 Atom(片上系统) 材料科学 纳米技术 计算机科学 计算化学 物理化学 冶金 电极 电化学 生物化学 嵌入式系统
作者
Liangliang Xu,Linguo Lu,Ning Xu,Jinpei Huang,Guorui Li,Jiaqian Wang,Xiaojuan Hu,Ariel R. Guerrero,Juan Reyes,Xiujuan Xu,Zhongkang Han,Zhongfang Chen
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (36): e202510965-e202510965 被引量:8
标识
DOI:10.1002/anie.202510965
摘要

The oxygen evolution reaction (OER) is a key bottleneck in clean energy conversion due to sluggish kinetics and high overpotentials. Transition metal single-atom catalysts offer great promise for OER optimization thanks to their high atomic efficiency and tunable electronic structures. However, intrinsic scaling relationships between adsorbed intermediates limit catalytic performance and complicate discovery through conventional machine learning (ML). To overcome this, we combined density functional theory (DFT) with a progressive learning strategy within an active learning framework. By first predicting adsorption energies as auxiliary features, our ML model achieved improved sensitivity to rare, high-activity candidates. High-throughput screening of 261 transition metal single-atom-doped metal oxides (MSA-MOx) identified nine top-performing catalysts (theoretical overpotential < 0.5 V), including MnSA-RuO2 and FeSA-TiO2 (theoretical overpotential < 0.3 V). Data mining revealed key theoretical descriptors governing OER activity, while electronic structure analysis pinpointed intermediate binding strength as the key performance driver. Further constant-potential DFT calculations and experimental evaluation of MnSA-RuO2 confirmed its low overpotential and excellent durability under acidic conditions. This integrated framework, which connects theoretical modeling, ML prediction, and experimental validation, accelerates the discovery of efficient OER catalysts and provides mechanistic insights for the rational design of materials in sustainable energy technologies.
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