反応速度論と機械学習による酸素発生触媒の活性予測

使用反应动力学和机器学习预测析氧催化剂活性

• 批准号: 22K14774
• 负责人: 大岡 英史
• 金额: $ 3万
• 依托单位: Institute of Physical and Chemical Research
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14774/
• 关键词: 電極触媒; 活性予測; 応用数理; 反応速度論; 熱力学; 電極触媒理論

酸素発生反応(2H2O --> O2 + 4H+ + 4e-)は、水の電気分解によるグリーン水素製造のボトルネックとなることが知られている。このため、世界中で酸素発生反応を効率化するための触媒開発が行われている。特にこれまで、反応の自由エネルギー変化などの熱力学的パラメーターを中心に活性向上が行われてきた。この背景には、Sabatier則と呼ばれる、1913年頃に提唱された法則がある。この法則は、「良い触媒とは、反応基質と適度に相互作用をするものである。なぜなら、相互作用が弱すぎると触媒が十分に作用できず、逆に強すぎると触媒から反応基質が離れないためである。」と主張するものであり、現在の不均一触媒開発の礎となる基本指針である。特に、近年の機械学習を用いたデータ駆動型触媒設計でも広く使われている設計指針である。一方で、熱力学的な観点のみでは、反応がどの程度速く進むか、という定量的な活性予測が困難であるため、Sabatier則による活性予測の精度向上が課題となっている。そこで本研究では、従来の熱力学モデルに対し反応速度論を導入することで、酸素発生反応の活性予測モデルを構築し、その正しさを実験および機械学習で検証することを目指す。本年度は活性予測の数式を導出できたため、次年度、その妥当性を検証する。導出の際には、既存の論文で主流とされる反応機構(H2O --> OH --> O --> OOH --> O2)に加え、その対立仮説となる反応機構（O＋O --> O2）も考慮した。そして定常状態近似を仮定することで、触媒活性の理論式を獲得した。

Acid production reaction (2H2O--> O2 + 4H ++4e-), water electrical decomposition, water production and chemical reaction. In the world, the production of acid and the production of catalyst are in progress. In particular, the free movement of the opposite direction is a thermodynamic movement of the opposite direction. The background, Sabatier's rule, 1913. The law of "good catalyst" and "bad substrate" The catalyst is weak and the interaction is strong." The basic principles of heterogeneous catalyst development are proposed. In particular, in recent years, mechanical learning has been used to design dynamic catalysts. The accuracy of quantitative activity prediction is difficult, Sabatier is difficult, and the accuracy of activity prediction is upward. In this study, we introduced the theory of reaction velocity from thermodynamics, the prediction of reaction activity from acid production, and the demonstration of mechanical learning. This year, the activity forecast formula is derived, and the next year, the adequacy of the test is verified. In addition, the main reaction mechanism (H2O--> OH--> O--> OOH--> O2) is considered. A theoretical formula for catalyst activity is obtained.