基于机器学习的铜基二元纳米合金表面CO2电催化机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11804012
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A2004.凝聚态物质电子结构
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

The research of realizing the carbon recycling utilization with the strategy of CO2 reduction catalysis has great scientific significance and application value. Now it is still not very crystal clear for CO2 electrocatalytic active site and reaction mechanism on nano-scale bimetallic alloys surface. Another problem is that the established models of electrode surface in theoretical simulation are always too simple to describe the out-of-flatness surface in realistic electrode on atomic level. For solving these two problems, my project will choose the Cu-based nano-scale bimetallic alloys, one of most promising alloy series, employing machine-learning (ML) scheme to research CO2 electrocatalytic activity mechanism and catalytic enhancement method on its large scale complicated surface. In comprehensive consideration of the effects of atomic steps, edges, corners and defects on catalytic alloy surface, first-principles calculation and smooth overlap atomic position (SOAP) method are utilized to construct the effective and adaptive training-set. Then Bayesian linear regression method is applied to find the relationship between structural geometries and energy from the prepared training-set with ML big data calculation. And this relationship is described as a parameter set, which can calculate the adsorption energy of any surface position in the large-scale complicated surface model. Next, the adsorption energy can be calculated as activation energy of transitional status in catalysis simulation process by the Brønsted–Evans–Polanyi (BEP) formula, and the activation energy will be transferred as catalytic turnover frequency (TOF) by Sabatier formula. Thus, these two formulae construct the relationship between adsorption energy and catalytic velocity. In summary, this project will systematically research the way that element types, surface geometries and element ratio affect the distribution and intensity of the catalytic active site, revealing the electrode surface characteristics of high electrocatalytic efficiency to CO2 reduction. The studies of this project are expected to provide theoretical guidance for developing novel CO2 catalytic materials in industrial application, giving a feasible strategy to design and realize that goal.
通过CO2还原催化实现碳元素的循环使用,具有十分重要的科学意义与应用价值。目前二元纳米合金表面CO2电催化活性位点和反应机制还不是十分清楚,常用的电极表面模型过于简单。本项目选用具有应用前景的铜基二元纳米合金,采用机器学习方法研究其大尺度复杂表面的CO2电催化活性机制与催化增强方法。在综合考虑原子台阶、边界、拐角、缺陷等对催化表面影响的基础上,通过第一性原理计算和光滑重叠原子位置法构建高效泛化训练集。再使用贝叶斯回归进行机器学习大数据处理,拟合出表面上的“结构-能量”关联参数集,该参数集可计算大尺度材料表面的吸附能。最后由BEP公式和Sabatier公式发展出“吸附能-催化速率”关联模型。本项目将系统地研究元素、结构、组分是如何影响催化活性位点的分布和强度,揭示高效催化电极的表面特征。期望对开发可工业化应用的新型高效CO2催化材料提供理论指导并给出可行的实现途径。

结项摘要

通过CO2还原催化实现碳元素的循环使用,具有十分重要的科学意义与应用价值。但人们对二元纳米合金表面的CO2电催化反应机制仍不能完全确定,这也限制了高效催化材料的研制开发。本项目选用具有应用前景的铜基二元纳米合金,采用机器学习方法研究其大尺度复杂表面的CO2电催化活性机制与催化增强方法。在综合考虑原子台阶、边界、拐角对催化表面影响的基础上,通过第一性原理计算和光滑重叠原子位置法(SOAP)构建高效泛化训练集。. 按照项目计划,我们实现了以机器学习程序预测合金形成能、CO等小分子的吸附能、合金催化速率。根据不同的合金类型、组分比例、晶面、原子排布,我们总共排列组合得到了400余个二元合金表面结构。将每个表面结构的能量、SOAP函数值、以及相关的描述符作为训练集参数代入机器学习模型。模型包括线性回归、随机梯度、多项式、Ridge回归、Lasso回归等方法,我们分别测试并获得了对应的参数集。为了研究CO2还原催化的关键决速步骤CO加氢成为CHO,我们研究了CO在合金表面模型的吸附能。经过测试集的初步验证,人工神经网络被发现为较优的机器学习算法。之后根据Brønsted–Evans–Polanyi(BEP)公式和Sabatier公式,我们建立了吸附能与催化速率的关系,完成了二元合金表面模型上催化转换频率的计算。基于本项目的理论计算指导,我们制备了单原子Pt-NiO/Ni催化剂,在碱性溶液中表现出了杰出的催化电解水产氢性能,比商业Pt/C催化剂高41倍。. 总的来说,本项目的工作尝试解决了第一性原理计算只能处理小体系的问题。本研究将第一性原理计算与机器学习结合,实现模拟了大体系、多组分、多种表面形态的二元合金电极形成能和CO吸附能。创新地发展机器学习模型研究大尺度纳米合金表面电催化的方法。本研究可开发为新型纳米合金电催化材料提供了理论指导,提高研发效率。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
A Setaria-inflorescence-structured catalyst based on nickel-cobalt wrapped silver nanowire conductive networks for highly efficient hydrogen evolution
基于镍钴包裹银纳米线导电网络的狗尾草花序结构催化剂,用于高效析氢
  • DOI:
    10.1039/c9ta10413e
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Journal of Materials Chemistry A
  • 影响因子:
    11.9
  • 作者:
    Zhou Kailing;Zhang Qianqian;Wang Zelin;Wang Changhao;Han Changbao;Ke Xiaoxing;Zheng Zilong;Wang Hao;Liu Jingbing;Yan Hui
  • 通讯作者:
    Yan Hui
First-Principles Study of Mechanical and Thermodynamic Properties of Binary and Ternary CoX (X = W and Mo) Intermetallic Compounds.
二元和三元 CoX(X = W 和 Mo)金属间化合物力学和热力学性能的第一性原理研究
  • DOI:
    10.3390/ma14061404
  • 发表时间:
    2021-03-13
  • 期刊:
    Materials (Basel, Switzerland)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Yang Y;Wang C;Sun J;Li S;Liu W;Wu H;Wang J
  • 通讯作者:
    Wang J
Phase stability and temperature effect in ScX (X=S, Se and Te) compounds
ScX(X=S、Se 和 Te)化合物的相稳定性和温度影响
  • DOI:
    10.1016/j.physleta.2020.126373
  • 发表时间:
    2020-06
  • 期刊:
    Physics Letters A
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Wang Changhao;Gao Leizhi;Wang Ruzhi;Ming Bangming;Guo Gencai;Yan Hui
  • 通讯作者:
    Yan Hui
Cu-Ni合金结构稳定性的第一性原理计算研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    云南化工
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    高磊智;王长昊;郭根材;王如志
  • 通讯作者:
    王如志
Platinum single-atom catalyst coupled with transition metal/metal oxide heterostructure for accelerating alkaline hydrogen evolution reaction.
铂单原子催化剂与过渡金属/金属氧化物异质结构耦合加速碱性析氢反应
  • DOI:
    10.1038/s41467-021-24079-8
  • 发表时间:
    2021-06-18
  • 期刊:
    Nature communications
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Zhou KL;Wang Z;Han CB;Ke X;Wang C;Jin Y;Zhang Q;Liu J;Wang H;Yan H
  • 通讯作者:
    Yan H

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其他文献

四方结构GaN纳米线制备、掺杂调控及其场发射性能研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
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    物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨孟骐;姬宇航;梁琦;王长昊;张跃飞;张铭;王波;王如志
  • 通讯作者:
    王如志
Al_2O_3衬底无催化剂生长GaN纳米线及其光学性能
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    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    梁琦;王如志;杨孟骐;王长昊;刘金伟
  • 通讯作者:
    刘金伟

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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