Multi-Variable Multi-Metric Optimization of Self-Assembled Photocatalytic CO2 Reduction Performance Using Machine Learning Algorithms

还原(数学) 公制(单位) 功勋 可比性 光催化 性能指标 计算机科学 算法 最优化问题 人工智能 机器学习 化学 数学 催化作用 工程类 运营管理 几何学 经济 生物化学 管理 组合数学 计算机视觉
作者
Shannon A. Bonke,Giovanni Trezza,Luca Bergamasco,Hongwei Song,Santiago Rodríguez‐Jiménez,Leif Hammarström,Eliodoro Chiavazzo,Erwin Reisner
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (22): 15648-15658 被引量:20
标识
DOI:10.1021/jacs.4c01305
摘要

The sunlight-driven reduction of CO2 into fuels and platform chemicals is a promising approach to enable a circular economy. However, established optimization approaches are poorly suited to multivariable multimetric photocatalytic systems because they aim to optimize one performance metric while sacrificing the others and thereby limit overall system performance. Herein, we address this multimetric challenge by defining a metric for holistic system performance that takes multiple figures of merit into account, and employ a machine learning algorithm to efficiently guide our experiments through the large parameter matrix to make holistic optimization accessible for human experimentalists. As a test platform, we employ a five-component system that self-assembles into photocatalytic micelles for CO2-to-CO reduction, which we experimentally optimized to simultaneously improve yield, quantum yield, turnover number, and frequency while maintaining high selectivity. Leveraging the data set with machine learning algorithms allows quantification of each parameter's effect on overall system performance. The buffer concentration is unexpectedly revealed as the dominating parameter for optimal photocatalytic activity, and is nearly four times more important than the catalyst concentration. The expanded use and standardization of this methodology to define and optimize holistic performance will accelerate progress in different areas of catalysis by providing unprecedented insights into performance bottlenecks, enhancing comparability, and taking results beyond comparison of subjective figures of merit.
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