Machine Learning Using Combined Structural and Chemical Descriptors for Prediction of Methane Adsorption Performance of Metal Organic Frameworks (MOFs)

随机森林 支持向量机 吸附 甲烷 化学 决策树 分子描述符 金属有机骨架 生物系统 机器学习 人工智能 数量结构-活动关系 数据挖掘 计算机科学 有机化学 生物
作者
Maryam Pardakhti,Ehsan Moharreri,David W. Wanik,Steven L. Suib,Ranjan Srivastava
出处
期刊:ACS Combinatorial Science [American Chemical Society]
卷期号:19 (10): 640-645 被引量:258
标识
DOI:10.1021/acscombsci.7b00056
摘要

Using molecular simulation for adsorbent screening is computationally expensive and thus prohibitive to materials discovery. Machine learning (ML) algorithms trained on fundamental material properties can potentially provide quick and accurate methods for screening purposes. Prior efforts have focused on structural descriptors for use with ML. In this work, the use of chemical descriptors, in addition to structural descriptors, was introduced for adsorption analysis. Evaluation of structural and chemical descriptors coupled with various ML algorithms, including decision tree, Poisson regression, support vector machine and random forest, were carried out to predict methane uptake on hypothetical metal organic frameworks. To highlight their predictive capabilities, ML models were trained on 8% of a data set consisting of 130,398 MOFs and then tested on the remaining 92% to predict methane adsorption capacities. When structural and chemical descriptors were jointly used as ML input, the random forest model with 10-fold cross validation proved to be superior to the other ML approaches, with an R2 of 0.98 and a mean absolute percent error of about 7%. The training and prediction using the random forest algorithm for adsorption capacity estimation of all 130,398 MOFs took approximately 2 h on a single personal computer, several orders of magnitude faster than actual molecular simulations on high-performance computing clusters.
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