Forskare från ICIQs López-grupp presenterar en ny metod som möjliggör rationell design av heterogena katalysatorer. Efter att ha tillämpat principal komponentanalys och regression (PCA) på adsorptionsenergierna för 71 olika C1- och C2-arter på 12 tätpackade (övergångs-) metallytor, forskarna klargjorde för första gången en tolkbar modell för heterogen katalys.

Teamets nya metod, publiceras i Naturkommunikation , kommer att underlätta upptäckten av heterogena katalysatorer som kan omvandla den icke-ätbara delen av biomassa till värdefulla kemiska produkter. Proceduren reducerar antalet beräkningar med en faktor 20 samtidigt som felstaplar jämförbara med densitetsfunktionsteori (DFT) bibehålls.

Så enkelt som möjligt, men inte enklare

Biomassamolekyler är stora. Med komplexa molekylära strukturer, det finns många reaktionsställen att beakta när biomassa interagerar med en katalysator. En relativt liten molekyl, som en C6, skulle kunna presentera ett reaktionsnätverk på cirka 500, 000 reaktioner – vilket gör det för tid- och resurskrävande att studera med nuvarande modeller. I kontrast, genom att studera C1- och C2-arter kan forskarna nu extrapolera beteendet till större molekyler som vanligtvis finns i biomassa.

Forskarna från López-gruppen tillämpade PCA, en enkel och oövervakad maskininlärningsteknik, för att minska problemets dimensionalitet. Efter att ha analyserat bildningsenergierna för 71 adsorbater på 12 tätpackade metallytor, forskarna fick ett tvåtermigt linjärt uttryck som möjliggör snabb och noggrann undersökning av hela reaktionsnätverk på metalliska ytor samtidigt som antalet DFT-beräkningar som behövs drastiskt minskas.

Enkelheten i den resulterande modellen har gjort det möjligt för ICIQ-forskarna att gå ett steg bortom den senaste tekniken och tolka resultaten - en första i heterogen katalys.

Från svart till grönt

Att tolka resultaten av maskininlärningsverktygens avkastning kan vara en utmaning. Lyckligtvis, ICIQ-forskarna har kunnat öppna lådan och tolka ekvationens parametrar i fysiska termer. "Om du vet vad var och en av termerna i ekvationen betyder, du kan gå längre och utöka din modell, " förklarar Rodrigo García-Muelas, tidningens första författare. "Ekvationens första term beskriver bindningskovalens medan den andra är relaterad till bindningens jonicitet." Den matematiska sekvens som används för att hitta modellerna är allmänt tillgänglig för andra forskare för att återskapa resultaten.

Den nya modellen gäller för ett brett spektrum av scenarier och gör det möjligt att förutsäga hur ett system kommer att reagera och vad det kommer att ge genom att bara känna till egenskaperna hos obligationerna. Tillvägagångssätt för maskininlärning som tillämpas på katalys utökar vår förståelse av molekylers inre funktion, vilket för närmare omvandlingen av biomassa till biobränslen, vilket ger ett grönare alternativ till fossila bränslen.