高熵合金（HEA）電催化劑提供了廣闊的組成空間，可用于探索以確定用于能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)的有趣材料。雖然已經(jīng)嘗試探索HEA薄膜庫的組成空間并比較實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究，但對于HEA納米粒子不存在相應(yīng)的方法。到目前為止，對HEA納米粒子的催化研究僅限于少量的單個(gè)催化劑。

在此，瑞典伯爾尼大學(xué)Matthias Arenz等人通過使用貝葉斯優(yōu)化作為指導(dǎo)構(gòu)建數(shù)據(jù)集，報(bào)道了碳負(fù)載Pt-Ru-Pd-Rh-Au納米粒子在H₂/CO氧化反應(yīng)中的組成空間的實(shí)驗(yàn)探索。應(yīng)用無表面活性劑合成平臺，作者研究了68個(gè)樣品的數(shù)據(jù)集。

其中，前體混合物的比例用作貝葉斯優(yōu)化算法的輸入?yún)?shù)，而在H₂存在下定義的CO氧化“起始電位”用作描述H₂/CO氧化活性的輸出參數(shù)。由于明確定義的前體混合物不一定會產(chǎn)生明確的納米粒子組成，因此作者在第二部分中使用一個(gè)新的輸入?yún)?shù)構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，即通過能量色散X射線能譜（EDX）確定制備好的納米粒子的組成。通過構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，作者分析了組成元素濃度與催化活性的關(guān)系，并與DFT計(jì)算進(jìn)行比較。

圖1. 兩種機(jī)器學(xué)習(xí)模型的性能

研究表明，機(jī)器學(xué)習(xí)模型證實(shí)了先前關(guān)于Ru在H₂/CO氧化反應(yīng)中作用的研究結(jié)果。通過使用套索回歸來預(yù)測雙金屬 Pt-Ru合金的性能，作者發(fā)現(xiàn)了與已報(bào)道的性能最佳的Pt-Ru催化劑相似的最佳成分。這些結(jié)果強(qiáng)烈表明，采用簡單的、不含表面活性劑的合成方法及對納米粒子催化劑進(jìn)行最小表征的優(yōu)化過程，主要依賴于定義明確的合成變量并引入催化性能的度量，是探索HEA納米粒子催化劑廣闊組成空間的有效策略。當(dāng)在成分空間中加入更多的金屬時(shí)，這就變得尤為重要。

此外，通過比較計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展趨勢，可發(fā)現(xiàn)不同組分的“起始電位”與*OH的吸附能之間存在相關(guān)性。當(dāng)考慮5%的*OH吸附最強(qiáng)位點(diǎn)時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性最好?？傊?，本研究概述了一種有效且可行的方法，用于探索結(jié)合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算手段的碳負(fù)載多組分納米粒子的多維組成空間。

圖2. 通過計(jì)算成本低廉的模型獲得的總體預(yù)測趨勢

Exploring the Composition Space of High-Entropy Alloy Nanoparticles for the Electrocatalytic H₂/CO Oxidation with Bayesian Optimization, ACS Catalysis 2022. DOI: 10.1021/acscatal.2c02563