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ACS Catalysis : DFT+ML+实验验证——三合一工作流程加速筛选高性能团簇修饰单原子ORR催化剂

研之成理 2026-07-18 11:34
文章摘要
本文报道了一种整合密度泛函理论(DFT)、机器学习(ML)和实验验证(EV)的高通量筛选工作流程,用于加速发现高性能团簇修饰单原子(SA/AC)氧还原反应(ORR)催化剂。背景方面,ORR是燃料电池的关键过程,但传统Pt基催化剂成本高、耐久性差,而单原子催化剂虽具潜力,其对含氧中间体的吸附强度不理想限制了性能;引入原子簇可调控电子性质,但海量的组合空间使传统试错法效率低下。研究目的是构建“DFT计算—机器学习预测—实验验证”三位一体框架,以高效筛选SA/AC催化剂。通过对156种构型的系统筛选,发现ΔGOH*与过电位存在火山型关系,并以此建立机器学习模型(GBR,R²=0.93,MAE=0.10 eV)预测了104个未计算体系。结论是首次从理论上预测并实验验证了Ru4团簇修饰的Ir-N4催化剂具有0.21 V的超低过电位,在碱性条件下表现出优异的ORR活性和稳定性(E1/2=0.841 V,耐久性测试后仅衰减16 mV);机理分析揭示Ru4通过间接电子耦合、d带中心下移等效应弱化OH*吸附。该工作为电催化剂的高通量理性设计提供了可推广的范式。
ACS Catalysis : DFT+ML+实验验证——三合一工作流程加速筛选高性能团簇修饰单原子ORR催化剂
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