Forscher haben sich die Leistungsfähigkeit künstlicher Intelligenz zunutze gemacht, um die Entdeckung und Optimierung mehrkomponentiger Metalloxide als Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) deutlich voranzutreiben.
Dieser Durchbruch hat das Potenzial, die Effizienz und Erschwinglichkeit erneuerbarer Energietechnologien wie Wasserstoff-Brennstoffzellen und -Batterien zu revolutionieren und den Weg für eine nachhaltige Energiezukunft zu ebnen.
Einzelheiten zu den Ergebnissen waren veröffentlicht im Zeitschrift für Materialchemie A am 23. April 2024.
Die Studie analysierte 7.798 verschiedene Metalloxid-ORR-Katalysatoren aus Hochdurchsatzexperimenten. Diese Katalysatoren, die Elemente wie Nickel, Eisen, Mangan, Magnesium, Kalzium, Lanthan, Yttrium und Indium enthalten, wurden bei verschiedenen Potentialen getestet, um ihre Leistung zu bewerten.
Mithilfe der maschinellen Lernmethode XGBoost erstellten die Forscher ein Vorhersagemodell, um potenzielle neue Zusammensetzungen zu identifizieren, ohne dass umfangreiche experimentelle Tests erforderlich waren.
Die Forschung ergab, dass eine hohe Anzahl wandernder Elektronen und eine hohe Konfigurationsentropie entscheidende Merkmale für das Erreichen einer hohen Stromdichte bei der ORR sind. Bei einer Stromdichte von 0,8 VRHE zeigten die ternären Systeme Mn–Ca–La, Mn–Ca–Y und Mn–Mg–Ca ein erhebliches Potenzial für Anwendungen in Wasserstoff-Brennstoffzellen. Bei 0,63 VRHE wurden die Systeme Mn-Fe-X (X = Ni, La, Ca, Y) und Mn-Ni-X (X = Ca, Mg, La, Y) als vielversprechende Kandidaten für die Wasserstoffperoxidproduktion identifiziert.
„Unser innovativer Ansatz, der maschinelles Lernen nutzt, beschleunigt das Design und die Optimierung von Mehrkomponentenkatalysatoren und spart so viel Zeit und Ressourcen“, sagt Xue Jia, Assistenzprofessor am Advanced Institute for Materials Research und einer der Co-Autoren der Studie.
„Durch die effiziente Identifizierung leistungsstarker Katalysatorzusammensetzungen verfügen wir über eine nachgewiesene transformative Methode, die zu erheblichen Fortschritten bei nachhaltigen Energietechnologien führen kann.
Verbesserte Katalysatoren können die Effizienz verbessern und die Kosten erneuerbarer Energietechnologien senken, wodurch ihre breitere Akzeptanz gefördert und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert wird. Effizientere Energiespeichersysteme können die Gesamtkosten senken, erneuerbare Energien leichter zugänglich machen und zum Umweltschutz beitragen.
Die erfolgreiche Anwendung des maschinellen Lernens in dieser Studie stellt einen Präzedenzfall für zukünftige Forschung dar und könnte möglicherweise zu Durchbrüchen in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen führen. Verbesserte ORR-Katalysatoren können auch die Produktion von Wasserstoffperoxid steigern, das häufig für Desinfektions- und Industrieprozesse eingesetzt wird, was der öffentlichen Gesundheit und Sicherheit zugute kommt.
„Diese Forschung unterstreicht das unglaubliche Potenzial künstlicher Intelligenz bei der Beschleunigung des Katalysatordesigns und der Materialentdeckung“, fügt Jia hinzu. „Unsere Ergebnisse werden hoffentlich zukünftige Durchbrüche bei nachhaltigen Energietechnologien ermöglichen, die für die Bewältigung globaler Energieherausforderungen von entscheidender Bedeutung sind.“
Mehr Informationen:
Xue Jia et al., Maschinelles Lernen ermöglichte die Erforschung von Mehrkomponenten-Metalloxiden zur Katalyse der Sauerstoffreduktion in alkalischen Medien, Zeitschrift für Materialchemie A (2024). DOI: 10.1039/D4TA01884B