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来源：研之成理收集编辑：巩金龙教授课题组
论文DOI：10.1002/anie.202300122
通过将物理见解与机器学习有机结合，我们提出了一个可解释的本征描述符，实现了在无需理论计算的前提下加速700多种单原子催化剂的高通量筛选。同时，该描述符的数学表达式量化了金属-配体相互作用对电催化N2还原活性的影响，在分子轨道层面全面揭示了构效关系。该描述符的指导作用进一步被已报道的13种和我们合成的4种单原子催化剂所证实。中心金属与其配位环境之间复杂的相互作用主导了单原子催化剂的整体催化性能。然而，现阶段我们对于单原子位点局部结构和反应活性的关系还缺乏一个清晰的认识，包括如何调控金属中心和配位环境，导致催化剂的理性设计面临着挑战。将活性位点的一些性质，比如能量性质或者电子性质总结为描述符，直接与催化活性关联起来，是揭示活性位点构效关系，实现催化剂理性设计的有效方法。目前的描述符大多都需要通过密度泛函理论计算得到，不仅过度依赖计算方法，并且在实验上也不易获得。这实际上会影响描述符的应用价值。一个理想的描述符应该能够直接基于活性位的本征性质，不仅可以从数据库中轻松获得，还可以直接量化活性位的微环境。目前对于本征描述符的构建，还依托在一个有限的结构和体系当中。面对复杂的体系，机器学习可以帮助我们抽提出最关键的信息。然而，这一方法现阶段还面临着一定的挑战。随着体系数据量的增加，描述符的维度和复杂度也会随之上升，不利于后期的应用。同时其复杂的数学形式往往很难用传统的物理认知所解释，不利于我们对构效关系的理解和对反应机理的认识。因此，区别于黑箱模型，在高通量筛选中还能全面揭示构效关系是我们亟需解决的问题。针对这些问题，本文将机器学习与物理见解有效结合，构建可解释性本征描述符，从而从分子轨道层面全面揭示复杂体系下的催化剂构效关系，同时实现电催化剂的零成本高通量筛选。亮点1：通过建立单原子数据库，并有序结合机器学习和物理见解，我们提出了一个可解释的本征描述符，实现对700多个单原子催化剂的零成本、快速、高通量筛选。亮点2：同时，这一简单描述符的解析表达式在分子轨道层面深入阐明了构效关系。通过该描述符构建的火山关系也已经在实验上被全面地证实。亮点3：我们提出的普适性描述符以及相应描述符开发的两步法策略可以扩展到其他反应和材料上，用来跨越低成本高通量筛选和深刻机理解释之间的鸿沟。这项工作促进了催化剂的理性设计。我们以电催化N2还原反应为例，对单原子体系的催化剂构效关系进行了系统性的研究。以N、C为配位原子，构建训练集；以P/B/O为配位原子，构建测试集。通过特征分析计算得到，金属中心的d电子数、配位原子的平均电负性是最重要的本征性质。接下来，我们利用SISSO算法，对选取的21种初始特征进行描述符的训练。结果表明，如果我们单独用本征特征作为初始特征，单纯依靠SISSO算法，很难直接得到简单且精度较高的可解释性本征描述符。▲图2 在高通量筛选过程中，利用机器学习进行决定性特征识别因此，我们在机器学习的基础上，进一步加入物理见解，在分子轨道层面深入分析了这些活性位的本征性质对反应活性的影响。通过对金属中心和配位环境进行分开讨论，研究表明，金属中心和配位环境分别通过其本征性质，量化活性中心整体的d轨道填充程度，从而影响NRR活性。▲图3 中心金属和配位环境与活性之间的关系的电子起源最后，我们将分别得到的金属中心和配位环境的本征描述符，通过数学形式组合起来，全面量化金属-配体相互作用后对反应活性的影响。利用这一方式构建的描述符，不仅更加简单，精度更高，而且有着明确的物理意义。这一描述符的指导性能，也已经被13种已报道的实验工作和我们合成的4种单原子催化剂所证实。▲图4 描述单原子活性位整体构效关系的可解释性描述符该工作证实了即使体系中需要同时考虑3-5d金属中心和基于C/N/P/B/O的配位环境，通过我们提出的两步法构建策略，一个简单且可解释的描述符也可以被有效地开发出来。我们希望在这一简单且通用的描述符的帮助下，更多的高活性单原子催化剂可以被合成出来。此外，我们提出的两步法策略为开发简单的可解释性本征描述符提供了一种新的研究范式，后续也可以用在其他的反应和材料当中。随着机器学习在多相催化领域的发展，越来越多的机器学习方法在加速催化剂的高通量筛选方面展现出了独特的价值和潜力。我们的研究结果证明，将机器学习与深入的物理见解有机地结合起来是全面揭示高通量筛选中的结构-机理-活性关系的强有力工具。在将来可以推动催化剂的理性设计。http://gonglab.tju.edu.cn/info/1186/2354.htmhttp://gonglab.tju.edu.cn/info/1187/2356.htmhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202300122更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。