Science｜中国科大利用人工智能在催化基础研究中取得重大突破

学术 2024-11-25 14:45 北京

点击上方蓝色字，关注我们

中国科学技术大学李微雪团队利用人工智能（AI）在催化基础研究中取得重大突破。研究人员通过先进的可解释AI算法，结合实验数据，揭示了金属-载体相互作用的本质，建立了其与材料基本性质之间的本征控制方程，提出“强金属-金属作用原理性判据”，解决了氧化物包裹金属催化剂的难题。

负载型金属催化剂是化学工业过程最广泛使用的催化剂之一，MSI的本质及其调控是高效、稳定催化剂研发中所面临的重大科学问题。早在1978年，科学家们发现氧化物载体在高温环境下会包裹金属催化剂，该现象被归结为强金属-载体相互作用所致。

然而，由于MSI敏感的依赖于金属和载体的组分、尺寸、形貌，催化剂制备和反应条件等，使得发展具有预测能力的一般性MSI理论变得极为挑战。

图1. 通过可解释AI揭示MSI本质，并提出“强金属-金属作用原理性判据”预测氧化物载体包裹金属催化剂现象

在这项研究中，研究团队汇总了多篇文献中的界面作用实验数据，通过可解释性AI算法，由材料基本性质作为特征，经过迭代式的数学操作，构建了一个由高达300亿个表达式所组成的特征空间。

再利用压缩感知算法，结合理论推导，从中筛选出物理清晰、数值准确的述符，成功建立了MSI与材料性质之间的本征控制方程。该方程除了包含金属-氧相互作用外，还突破性地包含了金属-金属相互作用这一关键新变量。研究发现，该作用是决定载体效应的关键因素。

大规模分子动力学模拟揭示，金属-金属相互作用还决定了氧化物包覆金属的动力学速率，以及包覆界面处金属-金属键的占比。基于此，团队提出了“强金属-金属作用原理性判据”，用以预测包覆现象的出现。该判据不仅解释了迄今为止几乎所有观测到的氧化物包覆现象，还预测了更广泛的有待发现的新体系。

研究人员所提出的“金属-载体相互作用”理论具有极高的普适性。它不仅适用于氧化物负载的金属纳米催化剂，还适用于其负载的金属单原子分散催化剂，以及金属负载的氧化物薄膜催化剂。“强金属-金属作用原理性判据”，原则上也同样适用于其他金属化合物载体的包覆行为。这一理论模型经过适当变换，可以推广到更一般的复合材料界面体系。

这一科学突破，将助力于高活性、高选择性、高稳定性催化剂的优化设计。‎该研究还证实可解释性AI算法，可以从实验数据中构建数学模型，加速科学原理发现的过程，为实现重大科学问题和技术创新突破提供了全新的视角和可能的解决方案。‎

主要作者简介

第一作者：王泰然，2020年硕士毕业于中国科学技术大学，师从李微雪教授，现为阿卜杜拉国王科技大学在读博士，师从Mani Sarathy教授。研究方向为人工智能在化学研究中的应用，量子化学与催化计算。

第一作者：胡建钰，中国科学技术大学2020级研究生，在读博士。师从李微雪教授，主要课题方向为基于机器学习势函数分子动力学模拟研究动态催化过程。

第一作者：欧阳润海博士，上海大学材料基因组工程研究院PI、博导。2013年博士毕业于中科院大连化物所李微雪教授课题组；2013-2018年先后在澳大利亚、美国和德国马普所做博士后研究；并于2019年加入上海大学。目前，欧阳博士课题组研究方向主要致力于AI算法开发及其在材料和化学中的应用，特别聚焦于符号回归算法（SISSO）及催化材料构效关系。已在国际SCI期刊发表学术论文40余篇，入选2024全球前2%顶尖科学家榜单。

通讯作者：李微雪教授，中国科学技术大学讲席教授。1998年博士毕业于中科院力学所，1999-2004年先后在德国、丹麦从事博士后研究，2004-2015年在中科院大连化物所工作，2015年至今在中国科学技术大学工作。研究方向为理论与计算催化，已发表包括Science（3篇）、Nature Catalysis（2篇）、Nature Nanotechnology在内的170余篇论文。先后获国家基金委杰出青年基金（2012）、中国催化青年奖（2014）等荣誉称号，现主持国家基金委创新群体项目、任美国化学会ACS Catalysis副主编。

本文由论文作者团队受邀供稿，文中观点仅为作者团队观点，不代表Science/AAAS立场。

点分享

点收藏

点在看

点个赞

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3NDY3NzQ2Mg==&mid=2247521444&idx=1&sn=270183dc96856e80c8e86c733288675e

ScienceAAAS

Science《科学》系列期刊官方公众号。Science《科学》系列期刊是美国科学促进会（AAAS）官方刊物。

最新文章

奖项征稿中！天桥脑科学研究院&Science 人工智能驱动科学大奖

Science合作期刊《类生命系统（英文）》入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊！

Science｜中国科大利用人工智能在催化基础研究中取得重大突破

讲座视频回放｜Science主编聊期刊人工智能政策制定

奖项征稿中！天桥脑科学研究院&Science 人工智能驱动科学大奖

Science周五新闻｜在经氯胺处理的自来水中普遍存在一种首次被鉴定出的污染物！

Science合作期刊SPACE入选2024年首都科技期刊卓越行动计划重点英文科技期刊支持项目

流入伊尔明厄海盆淡水量的增加很可能对AMOC强度造成最大的削弱｜Science Advances

口服！可治疗致命沙粒病毒的药物｜Science Translational Medicine

Science新闻｜为寻找自然资源，中国计划斥资10亿美元进行地球科学调查

11月22日直播｜西湖-Science系列研讨会第⑩期：DNA修复/基因组维护

北京大学物理学院Science Advances｜气溶胶光学性质对哈德雷环流的影响

SPJ｜Health Data Science：揭秘无标注数据的秘密：多维度助力半监督MRI图像分割

Science Immunology｜山东大学马春红/武专昌发现靶向TIM-3棕榈酰化增强抗肿瘤免疫的新策略

11月18日！和Science主编共议期刊人工智能政策制定（线上活动火热报名中）

直播预告｜西湖-Science系列研讨会第⑩期：DNA修复/基因组维护

中国科学院长春光机所Science｜竖直表面的日间亚环境辐射制冷

美国科学促进会与复旦大学签订战略合作备忘录

【封面研究】长新冠综合征者会展现出独特的具有性别差异的免疫特征

Science Advances｜新预警工具可改善欧洲与极端气温相关的死亡预测

SPJ｜哈尔滨工业大学白成超教授团队联合香港科技大学：基于多智能体强化学习的空间机械臂弹性运动规划

中国科学院地理资源所：全球林野-城市交界域扩张加剧人类野火暴露风险｜Science Advances作者解读

SPJ｜2023年度Science合作期刊Research优秀论文

Science作者解读｜复旦大学团队领衔揭示季节性流感的传播动态

Science联合天桥脑科学研究院等单位举办“人工智能与精神健康”研讨会

Science作者解读｜中瑞等科研团队合作报道原位反应提高钙钛矿光伏组件效率和稳定性

SPJ｜OLAR海陆气研究：多源胁迫共同驱动下的滨海湿地植被演替

小鼠研究发现，“功能衰减”的免疫细胞与雌性遗传性帕金森病有关｜《科学·转化医学》

人类活动导致的气候变暖被认定为导致美国西部干旱加剧的主要原因｜Science Advances

SPJ｜BMEF：用于组装多功能刺激响应DNA/RNA纳米结构的生物工程方法

南方科技大学Science｜蛋白相分离介导细胞质中渗透感知的新途径

SPJ｜Health Data Science：机器学习与传统统计方法如何融合构建疾病风险预测模型？

【Science周一新闻】蒙住双眼也能识路！体重仅6克的小蝙蝠借助回声定位进行长距离导航

在生命早期限制糖的摄入可降低成年后患上慢性病的风险【Science周一新闻】

张令强/杨冬/王立志等团队合作报道河南高生熊虫超强辐射耐受性的多组学景观和分子基础

初步临床研究表明，模拟断食功效的膳食或能帮助受损肾脏再生

南京地质古生物研究所等｜古蝉形态空间和空气动力学分析揭示中生代的“飞行竞赛”

Science Advances｜方解石沉淀或可解释大型湖泊的二氧化碳净排放

【《科学·转化医学》封面】粘膜之谜：两篇COVID-19疫苗研究得出了看似矛盾的结论

植入式自动装置可检测体内阿片类药物过量并给予治疗｜Science Advances

第一轮大会通知｜2024北京国际学术交流季：量子物质基础研究国际会议

明早8点直播｜西湖-Science系列研讨会第⑨期：衰老与神经退行性变

Science三项联名国际大奖申请开放中！

乳腺癌保乳术切缘的精准评估：使用靶向TROP2的近红外二区荧光分子探针

Science/AAAS、科技导报社、中国科协科学技术传播中心共同探讨AI赋能国际科技传播

新研究将年轻人的自发性骨质疏松症与褪黑素受体突变挂钩｜《科学·转化医学》

【Science Advances专题特刊】水产养殖可能危及若干养殖分类群的安全健康

直播预告｜西湖-Science系列研讨会第⑨期：衰老与神经退行性变

作者解读｜基于LPP递送系统的mRNA肿瘤疫苗可激发新抗原特异性T细胞免疫反应并发挥抗肿瘤活性

SPJ｜OLAR海陆气研究：隐藏在“有机污染”中的惰性碳库

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉