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第一作者：陳元正

通訊作者：陳元正副教授、唐永亮副教授、 Seok Ki Kim教授，李昊教授。

通訊單位：西南交通大學(xué)、韓國亞洲大學(xué)、日本東北大學(xué)

論文DOI：10.1021/acscatal.5c02415

本文圍繞甲烷熱裂解熔融法，深入闡述了熔融催化甲烷裂解技術(shù)優(yōu)勢(shì)、熔融催化劑設(shè)計(jì)困境、熔融介質(zhì)組分與裂解產(chǎn)物關(guān)聯(lián)等，重點(diǎn)探討了如何利用AI數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法加速熔融介質(zhì)催化劑的發(fā)現(xiàn)進(jìn)程，提出了多種融合AI技術(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)策略如：（1）描述符驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)；（2）生成模式驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)；（3）主動(dòng)學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。分析了這些不同數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略在開發(fā)高性能甲烷裂解多元熔融催化劑的潛力及其面對(duì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)；結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和前沿AI技術(shù)，給出了相應(yīng)解決措施與方法如：I, 發(fā)展基于機(jī)器學(xué)習(xí)的熔融催化模型；ii, 開發(fā)自驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)；iii，推進(jìn)多尺度熔融態(tài)模擬技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)力場(chǎng)方法等。

甲烷熱裂解是一種吸熱分解還原反應(yīng)，可在特定溫度、壓力和催化劑條件下實(shí)現(xiàn)氫能源轉(zhuǎn)化和高質(zhì)量碳制備，被視為是實(shí)現(xiàn)天然氣制氫脫碳最有效途徑。然而，傳統(tǒng)熱裂解技術(shù)（如依靠高溫或高壓等手段）實(shí)現(xiàn)甲烷完全轉(zhuǎn)化或解離往往需要極高溫度或特定范圍壓力，其熱裂解反應(yīng)路徑較復(fù)雜、分支副產(chǎn)物較多；另一方面，傳統(tǒng)固態(tài)催化劑裂解甲烷雖能降低能耗，但卻面臨碳沉積導(dǎo)致的催化劑失活難題；這些缺陷極大阻礙了甲烷熱裂解工業(yè)化進(jìn)程。近年來，“熔融裂解法”通過引入熔融介質(zhì)（金屬/鹽/合金）構(gòu)建液態(tài)反應(yīng)界面，實(shí)現(xiàn)碳產(chǎn)物動(dòng)態(tài)分離與高效傳熱，可有效避免固體催化劑積炭失活問題。這種方法不但具有催化效率高、產(chǎn)物易分離等優(yōu)點(diǎn)，而且還可易獲得高價(jià)值碳材料（如石墨烯，金剛石），尤其多組分熔融催化介質(zhì)體系有望在中低溫條件下實(shí)現(xiàn)甲烷高效熱裂解反應(yīng)，為推進(jìn)甲烷熱裂解朝向工業(yè)化發(fā)展提供了新的契機(jī)。然而，依舊面臨著巨大挑戰(zhàn)，因熔融介質(zhì)中組合元素選擇的復(fù)雜性、熔融態(tài)下原子無序性，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與理論設(shè)計(jì)的局限性，為多組分熔融催化劑的設(shè)計(jì)構(gòu)筑了重大障礙。隨著人工智能（AI）與數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略為突破傳統(tǒng)"實(shí)驗(yàn)-理論"研究范式提供了新思路。

1. 提出了描述符引導(dǎo)設(shè)計(jì)策略：采用描述符引導(dǎo)的催化劑設(shè)計(jì)策略以構(gòu)建結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系，需全面捕捉熔融體系中的動(dòng)態(tài)行為與甲烷裂解多環(huán)境效應(yīng)，結(jié)合敏感性分析和領(lǐng)域知識(shí)的多參數(shù)優(yōu)化框架，通過量化物理特性建立熔融催化劑設(shè)計(jì)的新范式，以平衡預(yù)測(cè)精度與可解釋性。

2. 提出生成模式設(shè)計(jì)方案：生成模式可通過從數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)元素組成規(guī)律，探索甲烷熱解用熔融催化劑的成分設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。方案包括幾個(gè)關(guān)鍵步驟：外變量訓(xùn)練、主動(dòng)/遷移學(xué)習(xí)，以及結(jié)合DFT驗(yàn)證的閉環(huán)框架，以開發(fā)適應(yīng)特定反應(yīng)條件的自適應(yīng)催化劑生成模型。

3. 提出主動(dòng)學(xué)習(xí)引導(dǎo)的設(shè)計(jì)框架：主動(dòng)學(xué)習(xí)通過迭代優(yōu)化預(yù)測(cè)模型，克服了甲烷熱解熔融催化劑設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)稀缺問題，可實(shí)現(xiàn)了對(duì)廣闊成分空間的探索與已知高性能區(qū)域的開發(fā)之間的平衡。構(gòu)造了一種閉環(huán)框架，整合生成式成分設(shè)計(jì)、基于物理的驗(yàn)證（AIMD/DFT）和實(shí)驗(yàn)反饋等環(huán)節(jié)，通過不斷迭代實(shí)現(xiàn)甲烷熱解熔融催化劑的有效設(shè)計(jì)。

圖1. (A) 單顆粒固體催化劑在甲烷熱解過程中的失活機(jī)理和甲烷裂解催化劑體系從固體到多元熔融介質(zhì)轉(zhuǎn)變的發(fā)展過程示意圖；(B) 采用熔融氣泡催化甲烷熱裂解裝置及其微觀催化因素；(C) 熔融介質(zhì)組分的廣闊元素組合空間及其多元混合潛力；(D) 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的概念圖

圖 2. (A)描述符引導(dǎo)設(shè)計(jì)的可視化展示;(B)熔融介質(zhì)催化甲烷熱解過程的AIMD/DFT模擬;(C)基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)的簡化生成模式流程圖；(D)基于多重過濾器篩選條件的元素搜索空間圖。

圖 3. 甲烷熱裂解多元熔融催化劑設(shè)計(jì)閉環(huán)主動(dòng)學(xué)習(xí)框架，含有數(shù)據(jù)庫、機(jī)器學(xué)習(xí)模型、AIMD熱力學(xué)模擬、DFT計(jì)算和實(shí)驗(yàn)反饋等關(guān)鍵步驟，每個(gè)步驟涉及多種特征量、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)模型和學(xué)習(xí)方法。 

圖 4. （A）面向工業(yè)化的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)甲烷熱解技術(shù)路線圖;（B）催化劑設(shè)計(jì)與甲烷熱解測(cè)試的自主數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)架構(gòu)。

針對(duì)甲烷熱裂解多元熔融介質(zhì)中元素組合的復(fù)雜性、原子無序性、高昂的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)成本，以及密度泛函理論（DFT）在熔融體系模擬中的局限性，為多元熔融催化劑的設(shè)計(jì)帶來了巨大挑戰(zhàn)。本文闡述了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略可提供超越傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)/理論方法提供了解決方案。重點(diǎn)探討了描述符驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、生成模式驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、主動(dòng)學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)這三種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法如何加速熔融介質(zhì)催化劑的發(fā)現(xiàn)；討論了這些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略在設(shè)計(jì)多元熔融元素空間探索方面的潛力與挑戰(zhàn)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和前沿AI技術(shù)，給出了相應(yīng)解決措施與展望。

陳元正：2014年博士畢業(yè)于吉林大學(xué)物理學(xué)院，博士師從馬琰銘院士，2014年7月加入西南交通大學(xué)，入選西南交通大學(xué)雛鷹人才計(jì)劃A類，隨后分別在北京計(jì)算科學(xué)研究中心林海青院士、美國加州州立大學(xué)北嶺校區(qū)苗茂生教授、和新加坡國立大學(xué)馮元平教授課題組從事博士后或訪問研究工作?，F(xiàn)為西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授（特聘研究員）,主要圍繞在功能材料與器件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域開展科學(xué)研究，擅長人工智能數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)功能材料結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計(jì)和微納功能器件開發(fā)，目前已在Nat. Comm., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, Nano Lett. 等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表60余篇論文，被引用3500 余次，H指數(shù)因子35；擔(dān)任四川省物理學(xué)會(huì)會(huì)員和中國化學(xué)會(huì)會(huì)員；主持國家自然科學(xué)基金、中央引導(dǎo)專項(xiàng)基金、博士后科學(xué)基金，四川省科技廳等項(xiàng)目10 余項(xiàng)。

文獻(xiàn)詳情：

Data-Driven Strategies for Designing Multicomponent Molten Catalysts to Accelerate the Industrialization of Methane Pyrolysis 

Yuanzheng Chen*，Xuxuan Huang，Yangdong He，Qian Liu，Junmei Du，Wei Yang，Wenhan Wang，Di Zhang，Xue Jia，Hongyan Wang，Yongliang Tang*，Qingkai Yu，Seok Ki Kim*，Hao Li* 

ACS Catal. 2025

https://doi.org/10.1021/acscatal.5c02415

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