科學通報AI入門系列 | 人工智能+原子級催化劑：推動能源轉(zhuǎn)化的新突破！

隨著全球能源轉(zhuǎn)型的加速，如何提升催化劑的效率成為科學研究的重點。原子級催化劑因其獨特的高金屬利用率和可調(diào)控的局部結(jié)構(gòu)，在能源轉(zhuǎn)化、化工合成等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。然而，開發(fā)高效的原子級催化劑仍面臨諸多挑戰(zhàn)。近年來，人工智能（AI）技術(shù)的引入為催化劑設(shè)計提供了全新的思路。近日，北京大學鄒如強教授團隊總結(jié)了AI驅(qū)動的原子級催化劑設(shè)計與自動化合成的最新進展，探討了AI如何推動能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的創(chuàng)新突破。

在全球能源轉(zhuǎn)型的背景下，如何提高催化劑的效率，成為科學界的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。原子級催化劑（ ALCs），如單原子催化劑（SACs）和雙原子催化劑（DACs），以其高金屬利用率和可調(diào)控的結(jié)構(gòu)在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的應用潛力。然而，傳統(tǒng)的催化劑設(shè)計方法面臨結(jié)構(gòu)- 性能復雜性和高昂的實驗成本等挑戰(zhàn)。

那么，人工智能如何助力原子級催化劑的研發(fā)呢？

近年來，人工智能技術(shù)，特別是機器學習（ ML）、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）和大語言模型（LLM ），已開始在催化劑設(shè)計中發(fā)揮重要作用。這些技術(shù)能夠幫助我們高效篩選出潛在的高性能催化劑，大幅提高研發(fā)效率并降低實驗成本。

圖1用于原子級催化劑的AI技術(shù)

AI加速催化劑篩選與設(shè)計

機器學習通過建立結(jié)構(gòu)-性能預測模型，能在海量的候選材料中快速識別出最具潛力的催化劑。例如，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，研究人員可以在原子級別篩選出最適合的配位環(huán)境、金屬種類和載體結(jié)構(gòu)，為催化劑的設(shè)計提供重要的理論支持。

圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）則在催化劑設(shè)計中展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。GNN通過圖結(jié)構(gòu)表示催化體系的原子和鍵，不依賴于手工特征，可以自動學習催化反應中的重要關(guān)系。利用這種技術(shù)，研究人員能夠更好地理解催化劑在不同反應條件下的穩(wěn)定性和反應性，甚至預測未知材料的催化性能。

LLM賦能：跨領(lǐng)域知識整合與自動化合成

LLM的出現(xiàn)為催化劑設(shè)計提供了新的動力。LLM不僅能夠從大量文獻中提取關(guān)鍵信息，構(gòu)建統(tǒng)一的知識圖譜，還可以輔助催化劑的合成路徑預測和反應機制的揭示。通過自動化數(shù)據(jù)抽取和分析，LLM為催化劑設(shè)計提供了強有力的數(shù)據(jù)支持，加速了新材料的發(fā)現(xiàn)。

同時，AI驅(qū)動的自動化合成平臺也成為推動催化劑研發(fā)的重要工具。通過機器人合成和高通量測試，這些平臺能夠在統(tǒng)一的實驗條件下快速驗證催化劑的性能。更重要的是，自動化平臺通過實時數(shù)據(jù)分析和在線優(yōu)化，加速了實驗驗證和優(yōu)化過程。

圖2 基于opentrons的高通量液體移液平臺

未來展望：AI與自動化平臺深度融合，助力能源轉(zhuǎn)化革命

隨著AI技術(shù)的不斷進步，原子級催化劑的研發(fā)將更加智能化和高效化。通過將機器學習、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和大語言模型與自動化平臺結(jié)合，催化劑的篩選、合成和優(yōu)化過程可以更加快速、精確。這不僅為能源轉(zhuǎn)化提供了更高效的解決方案，也為綠色制造和環(huán)境治理開辟了新的道路。未來，AI與自動化平臺的深度融合將進一步推動原子級催化劑從實驗室到工業(yè)應用的轉(zhuǎn)變。

文章信息

馮龍,夏怡然,馬冰冰,吳凱,周湛彬,田也,鐘瑞琴,陳為彬*,鄒如強*. 人工智能驅(qū)動的原子級催化劑設(shè)計與合成. 科學通報, 2026, doi: 10.1360/CSB-2025-5822

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