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Science｜中國金宝搏入口188利用(yong)人工智能在(zai)催化基礎(chu)研究中取得重大突破

（轉載自ScienceAAAS微信公眾號）

188bet足球李(li)微雪(xue)團隊(dui)利(li)用人工智(zhi)能（AI）在催化基礎(chu)研(yan)究中(zhong)取得重大(da)突破。研(yan)究人員(yuan)通過先進的可解釋(shi)AI算(suan)法，結合實驗數據(ju)，揭示(shi)了金(jin)屬(shu)-載體(ti)相互(hu)作(zuo)用的(de)本(ben)質，建立(li)了其與材料基(ji)本(ben)性(xing)質之間的(de)本(ben)征控制方程，提出“強金(jin)屬(shu)-金(jin)屬(shu)作(zuo)用原(yuan)理性(xing)判據”，解決了氧化(hua)物包裹金(jin)屬(shu)催化(hua)劑(ji)的(de)難題。

負(fu)載(zai)型金(jin)屬催(cui)(cui)化(hua)劑(ji)是(shi)化(hua)學(xue)工業過程最廣泛使(shi)用(yong)的催(cui)(cui)化(hua)劑(ji)之一，MSI的本(ben)質及其調控(kong)是(shi)高效(xiao)、穩定催(cui)(cui)化(hua)劑(ji)研發中(zhong)所(suo)(suo)面臨的重大科學(xue)問題。早在1978年，科學(xue)家們發現(xian)氧化(hua)物載(zai)體(ti)在高溫環境(jing)下會(hui)包裹金(jin)屬催(cui)(cui)化(hua)劑(ji)，該現(xian)象(xiang)被歸(gui)結為強金(jin)屬-載(zai)體(ti)相互作用(yong)所(suo)(suo)致。

然而，由于MSI敏感的依賴于金(jin)屬和載(zai)體的組分、尺寸、形貌，催化劑制備和反應條件等，使得(de)發展具有預(yu)測能力的一般性MSI理論變得(de)極為挑戰。

圖1. 通過(guo)可解釋AI揭示MSI本質(zhi)，并提出“強金(jin)屬-金(jin)屬作用原理性(xing)判據”預測氧(yang)化(hua)物載體包裹金(jin)屬催(cui)化(hua)劑現象

在這項研(yan)究中(zhong)，研(yan)究團隊匯總了多篇(pian)文獻中(zhong)的(de)界(jie)面作用實驗數(shu)據(ju)，通過可解釋性(xing)AI算法，由材料基本性(xing)質作為特征(zheng)，經過迭代式的(de)數(shu)學操作，構建(jian)了一個(ge)由高達300億個(ge)表達式所組成的特征空間(jian)。

再(zai)利用壓縮感知算法，結合理論推導，從中篩選出物(wu)理清(qing)晰、數值準確的述(shu)符，成(cheng)功建立了MSI與材料(liao)性質之間的本(ben)征控制(zhi)方程。該方程除了包(bao)含金(jin)(jin)屬(shu)(shu)-氧相互作(zuo)用(yong)(yong)外，還突破性(xing)地包(bao)含了金(jin)(jin)屬(shu)(shu)-金(jin)(jin)屬(shu)(shu)相互作(zuo)用(yong)(yong)這一關鍵新(xin)變(bian)量。研究(jiu)發現，該作(zuo)用(yong)(yong)是決(jue)定載體效(xiao)應的關鍵因素。

大規模分子動(dong)力學模擬揭示，金(jin)屬-金(jin)屬相互(hu)作用還決(jue)定了氧化物包覆金(jin)屬的動(dong)力學速率，以及包覆界(jie)面處(chu)金(jin)屬-金(jin)屬鍵的占比。基于此，團隊提出(chu)了“強金屬-金屬作用原理(li)性判據”，用以預測包覆現(xian)象的出(chu)現(xian)。該判據不僅解釋(shi)了(le)迄今(jin)為(wei)止(zhi)幾(ji)乎(hu)所(suo)有觀測到的氧化物包覆現象(xiang)，還(huan)預測了(le)更廣泛的有待發(fa)現的新(xin)體系。

研究人員所提出的(de)“金(jin)屬(shu)(shu)-載(zai)(zai)(zai)體(ti)相互作(zuo)用(yong)(yong)”理論具有極(ji)高的(de)普適性。它不僅適用(yong)(yong)于(yu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)負載(zai)(zai)(zai)的(de)金(jin)屬(shu)(shu)納米催化(hua)(hua)劑(ji)(ji)，還適用(yong)(yong)于(yu)其(qi)負載(zai)(zai)(zai)的(de)金(jin)屬(shu)(shu)單(dan)原(yuan)子分散催化(hua)(hua)劑(ji)(ji)，以及金(jin)屬(shu)(shu)負載(zai)(zai)(zai)的(de)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)薄膜(mo)催化(hua)(hua)劑(ji)(ji)。“強金(jin)屬(shu)(shu)-金(jin)屬(shu)(shu)作(zuo)用(yong)(yong)原(yuan)理性判(pan)據”，原(yuan)則上也同樣適用(yong)(yong)于(yu)其(qi)他(ta)金(jin)屬(shu)(shu)化(hua)(hua)合(he)物(wu)載(zai)(zai)(zai)體(ti)的(de)包(bao)覆(fu)行為(wei)。這一理論模型經過適當變換，可以推廣到更一般(ban)的(de)復合(he)材(cai)料界面體(ti)系。

這一科學突破，將助(zhu)力(li)于(yu)高(gao)活性、高(gao)選擇性、高(gao)穩(wen)定性催化(hua)劑的優化(hua)設計。?該研究還(huan)證實可(ke)解(jie)釋(shi)性AI算法(fa)，可(ke)以(yi)從實驗數據中構建數學(xue)(xue)模(mo)型(xing)，加速科學(xue)(xue)原(yuan)理發現(xian)的(de)(de)過(guo)程，為實現(xian)重大科學(xue)(xue)問題和技(ji)術創(chuang)新(xin)(xin)突破提供了全新(xin)(xin)的(de)(de)視角和可(ke)能(neng)的(de)(de)解(jie)決方(fang)案(an)。?

主要作(zuo)者簡介

第一作者(zhe)：王泰然(ran)，2020年碩士(shi)畢業于188bet足球，師(shi)從李(li)微雪教授，現(xian)為(wei)阿卜杜拉國王科技大學(xue)在讀博(bo)士(shi)，師(shi)從Mani Sarathy教授。研究(jiu)方(fang)向為(wei)人(ren)工智能在化學(xue)研究(jiu)中(zhong)的應用，量子(zi)化學(xue)與(yu)催化計算。

第一作者：胡建(jian)鈺，188bet足球2020級研(yan)(yan)究生，在讀博(bo)士。師從李微雪教授，主(zhu)要(yao)課題方向為基(ji)于機(ji)器學(xue)(xue)習勢函數分子(zi)動(dong)力學(xue)(xue)模(mo)擬研(yan)(yan)究動(dong)態催(cui)化過(guo)程。

第一作者：歐陽潤(run)海(hai)博士，上(shang)海(hai)大學(xue)材料基因組工程研(yan)究(jiu)(jiu)院(yuan)PI、博(bo)導。2013年博(bo)士(shi)畢業于中(zhong)(zhong)科院(yuan)大連化(hua)物所(suo)李微雪(xue)教授課(ke)題組；2013-2018年先后在(zai)澳(ao)大利亞、美國(guo)(guo)和德(de)國(guo)(guo)馬普所(suo)做(zuo)博(bo)士(shi)后研(yan)究(jiu)(jiu)；并于2019年加入上(shang)海(hai)大學(xue)。目(mu)前，歐陽博(bo)士(shi)課(ke)題組研(yan)究(jiu)(jiu)方向主(zhu)要致力(li)于AI算(suan)法開(kai)發及(ji)其在(zai)材料和化(hua)學(xue)中(zhong)(zhong)的(de)應用，特別聚焦于符號回歸算(suan)法（SISSO）及催化材料構效關系。已(yi)在國際(ji)SCI期刊發表學術論文40余(yu)篇，入選2024全球前(qian)2%頂尖科學家(jia)榜單(dan)。

通訊作者：李微雪教授，188bet足球講(jiang)席教授(shou)。1998年博士畢(bi)業于中科院力學所，1999-2004年先(xian)后在德國(guo)、丹麥從事博士后研(yan)究，2004-2015年在中科院大連化物所工(gong)作，2015年至今在188bet足球工(gong)作。研(yan)究方向為(wei)理論與計算催化，已(yi)發表包括Science（3篇）、Nature Catalysis（2篇）、Nature Nanotechnology在(zai)內的170余篇論文。先后(hou)獲國家基(ji)金(jin)委杰出青年基(ji)金(jin)（2012）、中國催化青年獎（2014）等榮(rong)譽稱號，現(xian)主持國家基(ji)金委(wei)創新群體項目、任美國化(hua)學會ACS Catalysis副(fu)主編。

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