Оптимизация реакции окисления угарного газа на поверхности наночастиц палладия методом машинного обучения с подкреплением
- Авторы: Лифарь М.С.1,2, Терещенко А.А.1, Булгаков А.Н.1, Гуда А.А.1, Гуда С.А.1,2, Солдатов А.В.1
-
Учреждения:
- Международный исследовательский институт интеллектуальных материалов, Южный федеральный университет
- Институт математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича, Южный федеральный университет
- Выпуск: № 3 (2023)
- Страницы: 79-86
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/1028-0960/article/view/137727
- DOI: https://doi.org/10.31857/S1028096023030081
- EDN: https://elibrary.ru/LMOGVS
- ID: 137727
Цитировать
Аннотация
Выход продуктов реакции зависит от взаимодействия между процессами на поверхности катализатора: адсорбции, активации, десорбции и других. Эти процессы, в свою очередь, зависят от величин потоков реакционных смесей, температуры и давления. В стационарных условиях активные центры на поверхности могут быть отравлены побочными продуктами реакции или заблокированы избытком адсорбированных молекул реагентов. Динамический контроль параметров реакции учитывает изменения свойств поверхности и соответствующим образом регулирует температуру, скорости потоков и другие параметры. Применен алгоритм обучения с подкреплением для управления реакцией окисления угарного газа CO на поверхности наночастиц палладия. Алгоритм был натренирован максимизировать скорость производства углекислого газа на основе информации о величинах потоков CO, O2 и CO2 на каждом временнóм шаге. Был выбран алгоритм градиентной политики с непрерывным пространством действий, и расширены наблюдения за скоростями потока на несколько последовательных временны́х шагов, что позволило получить набор нестационарных решений. Максимальный выход продукта достигается при периодическом изменении газовых потоков, обеспечивающем баланс между доступными центрами адсорбции и концентрацией активированных интермедиатов. Эта методология открывает перспективы для оптимизации каталитических реакций в нестационарных условиях.
Об авторах
М. С. Лифарь
Международный исследовательский институт интеллектуальных материалов,Южный федеральный университет; Институт математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича,
Южный федеральный университет
Email: guda@sfedu.ru
Россия, 344090, Ростов-на-Дону; Россия, 344058, Ростов-на-Дону
А. А. Терещенко
Международный исследовательский институт интеллектуальных материалов,Южный федеральный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: tereshch1@gmail.com
Россия, 344090, Ростов-на-Дону
А. Н. Булгаков
Международный исследовательский институт интеллектуальных материалов,Южный федеральный университет
Email: guda@sfedu.ru
Россия, 344090, Ростов-на-Дону
А. А. Гуда
Международный исследовательский институт интеллектуальных материалов,Южный федеральный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: guda@sfedu.ru
Россия, 344090, Ростов-на-Дону
С. А. Гуда
Международный исследовательский институт интеллектуальных материалов,Южный федеральный университет; Институт математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича,
Южный федеральный университет
Email: guda@sfedu.ru
Россия, 344090, Ростов-на-Дону; Россия, 344058, Ростов-на-Дону
А. В. Солдатов
Международный исследовательский институт интеллектуальных материалов,Южный федеральный университет
Email: guda@sfedu.ru
Россия, 344090, Ростов-на-Дону
Список литературы
- Pakhare D., Spivey J. // Chem. Soc. Rev. 2014. V. 43. № 22. P. 7813. https://doi.org/10.1039/C3CS60395D
- Pareek V., Bhargava A., Gupta R., Jain N., Panwar J. // Adv. Sci. Eng. Med. 2017. V. 9. № 7. P. 527. https://doi.org/10.1166/asem.2017.2027
- Kinoshita K. // J. Electrochem. Soc. 1990. V. 137. № 3. P. 845. https://doi.org/10.1149/1.2086566
- Rojluechai S., Chavadej S., Schwank J.W., Meeyoo V. // Catal. Commun. 2007. V. 8. № 1. P. 57. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2006.05.029
- DeSantis C.J., Peverly A.A., Peters D.G., Skrabalak S.E. // Nano Lett. 2011. V. 11. № 5. P. 2164. https://doi.org/10.1021/nl200824p
- Sun C., Cao Z., Wang J., Lin L., Xie X. // New J. Chem. 2019. V. 43. № 6. P. 2567. https://doi.org/10.1039/C8NJ05152F
- Vatti S.K., Ramaswamy K.K., Balasubramanaian V. // J. Adv. Nanomat. 2017. V. 2. № 1. P. 127. https://doi.org/10.22606/jan.2017.22006
- Cuenya B.R. // Thin Solid Films. 2010. V. 518. № 12. P. 3127. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.01.018
- Schalow T., Brandt B., Laurin M., Schauermann S., Libuda J., Freund H.J. // J. Catal. 2006. V. 242. № 1. P. 58. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2006.05.021
- Skorynina A., Tereshchenko A., Usoltsev O., Bugaev A., Lomachenko K., Guda A., Groppo E., Pellegrini R., Lamberti C., Soldatov A. // Rad. Phys. Chem. 2018. V. 175. № 1. P. 108079. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2018.11.033
- Albers P., Pietsch J., Parker S.F. // J. Mol. Catal. A. 2001. V. 173. № 1–2. P. 275. https://doi.org/10.1016/S1381-1169(01)00154-6
- Gromotka Z., Yablonsky G., Ostrovskii N., Constales D. // Entropy. 2021. V. 23. № 7. P. 818. https://doi.org/10.3390/e23070818
- Armstrong C.D., Teixeira A.R. // React. Chem. Eng. 2020. V. 5. № 12. P. 2185. https://doi.org/10.1039/D0RE00330A
- Cutlip M., Hawkins C., Mukesh D., Morton W., Kenney C. // Chem. Eng. Commun. 1983. V. 22. № 5–6. P. 329.https://doi.org/10.1080/00986448308940066
- Vaporciyan G., Annapragada A., Gulari E. // Chem. Eng. Sci. 1988. V. 43. № 11. P. 2957. https://doi.org/10.1016/0009-2509(88)80049-6
- Schwankner R., Eiswirth M., Möller P., Wetzl K., Ertl G. // J. Chem. Phys. 1987. V. 87. № 1. P. 742. https://doi.org/10.1063/1.453572
- Eiswirth M., Ertl G. // Phys. Rev. Lett. 1988. V. 60. № 15. P. 1526. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.60.1526
- Newton M.A., Ferri D., Smolentsev G., Marchionni V., Nachtegaal M. // Nat. Commun. 2015. V. 6. № 1. P. 8675. https://doi.org/10.1038/ncomms9675
- Fang H., Haibin L., Zengli Z. // Int. J. Chem. Eng. 2009. V. 2009. № 1. P. 710515. https://doi.org/10.1155/2009/710515
- Moghtaderi B. // Energy Fuels. 2012. V. 26. № 1. P. 15. https://doi.org/10.1021/ef201303d
- Yoshida H., Kakei R., Fujiwara A., Tomita A., Miki T., Machida M. // Top Catal. 2019. V. 62. № 1. P. 345. https://doi.org/10.1007/s11244-018-1100-5
- Toyao T., Maeno Z., Takakusagi S., Kamachi T., Takigawa I., Shimizu K.-I. // ACS Catal. 2019. V. 10. № 3. P. 2260. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04186
- Segler M.H.S., Preuss M., Waller M.P. // Nature. 2018. V. 555. № 7698. P. 604. https://doi.org/10.1038/nature25978
- Kaelbling L.P., Littman M.L., Moore A.W. // J. Artif. Intell. Res. 1996. V. 4. P. 237. https://doi.org/10.1613/jair.301
- Sutton R.S., Barto A.G. Introduction to Reinforcement Learning. Cambridge: MIT Press, 1998. P. 380.
- Littman M.L. // Nature. 2015. V. 521. № 7553. P. 445. https://doi.org/10.1038/nature14540
- Neumann M., Palkovits D.S. // Ind. Eng. Chem. Res. 2022. V. 61. № 11. P. 3910. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c04622
- Watkins C.J. Learning from Delayed Rewards: PhD Thesis. Cambridge: King’s Colledge, 1989. 242 p.
- Watkins C.J., Dayan P. // Mach. Learn. 1992. V. 8. № 3. P. 279. https://doi.org/10.1007/BF00992698
- Lillicrap T.P., Hunt J.J., Pritzel A., Heess N., Erez T., Tassa Y., Silver D., Wierstra D. Continuous Control with Deep Reinforcement Learning; https://arxiv.org/ abs/1509.02971.pdf.
- Alhazmi K., Albalawi F., Sarathy S.M. // Chem. Eng. J. 2022. V. 428. P. 130993. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130993
- Zhou Z., Li X., Zare R.N. // ACS Cent. Sci. 2017. V. 3. № 12. P. 1337. https://doi.org/10.1021/acscentsci.7b00492
- Engel T., Ertl G. // Elementary Steps in the Catalytic Oxidation of Carbon Monoxide on Platinum Metals. Munchen: Elsevier, 1979. P. 43.
- Chorkendorff I., Niemantsverdriet J.W. // Concepts of Modern Catalysis and Kinetics. Weinheim: John Wiley & Sons, 2017. P. 66.
- Libuda J., Meusel I., Hoffmann J., Hartmann J., Piccolo L., Henry C., Freund H.-J. // J. Chem. Phys. 2001. V. 114. № 10. P. 4669.
- Nelder J.A., Mead R. // The Comput. J. 1965. V. 7. № 4. P. 308. https://doi.org/10.1093/comjnl/7.4.308
- Unni M., Hudgins R., Silveston P. // Can. J. Chem. Eng. 1973. V. 51. № 6. P. 623. https://doi.org/10.1002/cjce.5450510601
- Abdul-Kareem H.K., Silveston P., Hudgins R. // Chem. Eng. Sci. 1980. V. 35. № 10. P. 2077. https://doi.org/10.1016/0009-2509(80)85029-9
- Abdul-Kareem H.K., Hudgins R., Silveston P. // Chem. Eng. Sci. 1980. V. 35. № 10. P. 2085. https://doi.org/10.1016/0009-2509(80)85030-5
- Zhou X., Barshad Y., Gulari E. // Chem. Eng. Sci. 1986. V. 41. № 5. P. 1277. https://doi.org/10.1016/0009-2509(86)87100-7