原⼦スケール計算と機械学習で燃料電池の 触媒候補を理論的に探索 −活性と安定性を両⽴する⽩⾦合⾦触媒の逆設計を加速−

2026-04-22 東京科学大学

東京科学大学の研究チームは、原子スケール計算と機械学習(生成モデル)を組み合わせ、燃料電池の酸素還元反応(ORR)触媒を効率的に探索する手法を開発した。ニューラルネットワークポテンシャルで活性と安定性を高速評価し、条件付き変分オートエンコーダー(CVAE)により有望な原子構造を自動生成する反復手法を構築。白金–ニッケル系では高活性・高安定な構造を効率的に発見し、さらに白金–イットリウム系が有望であることも示した。本手法は「どの元素をどの割合で加えるか」を自動探索できる点が特徴で、触媒設計を大幅に加速する。燃料電池に加え、水電解や電池材料など幅広い応用が期待される。

原⼦スケール計算と機械学習で燃料電池の 触媒候補を理論的に探索 −活性と安定性を両⽴する⽩⾦合⾦触媒の逆設計を加速−
図1. 本研究で提案する、原子スケール計算による活性・安定性予測と生成モデルによるORR触媒生成のワークフロー

<関連情報>

条件付き変分オートエンコーダと原子論的計算を用いた酸素還元反応のための人工触媒生成 Artificial catalyst generation for the oxygen reduction reaction using conditional variational autoencoder and atomistic calculations

Taishiro Wakamiya & Atsushi Ishikawa
npj Computational Materials  Published:14 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41524-026-02075-0  Unedited version

Abstract

We developed a method that generates catalyst structures for the oxygen reduction reaction (ORR) by combining atomistic-scale calculations with a conditional variational autoencoder (CVAE). The CVAE was trained with overpotential (η) and alloy formation energy (Eform) as conditional labels and used to generate new structures. The neural-network potential (NNP) was used to evaluate η and Eform for the generated materials. This CVAE-generation and NNP-evaluation procedure enables iterative improvement of the dataset, as data for generated samples can be added to the previous dataset. We applied this method to Pt–Ni alloys. Across six iterations (128 initial and 128 added per iteration), the distributions shifted toward lower η and more negative Eform. The mean value of the dataset was varied from η = 1.126 to 0.520 V and from Eform = −0.027 to −0.047 eV/atom. This result demonstrates that both the activity and stability were improved simultaneously. Latent-space analysis revealed that the CVAE explored areas of the data space not present in the initial data, creating Pt-rich surface structures consistent with previously known ORR design principles. This method accelerates inverse design of alloy catalysts and provides a general approach for discovering structures that jointly satisfy high activity and thermodynamic stability.

0505化学装置及び設備
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