催化劑研發(fā)平臺(tái)

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一、需求背景：

    催化相關(guān)產(chǎn)業(yè)在全球GDP占比20%-30%，優(yōu)良催化劑的開發(fā)是其核心。依據(jù)專家設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)合成再表征的方式設(shè)計(jì)催化劑，試錯(cuò)成本高、研發(fā)周期長，目前一些重要化工原料所使用的催化劑專利，很多是掌握在具有多年技術(shù)積累的國際化工巨頭手里，比如巴斯夫、陶氏等。國內(nèi)化工企業(yè)要在短時(shí)間內(nèi)突破專利封鎖，開發(fā)出新的性能優(yōu)良的工業(yè)催化劑，不依靠新方法的介入將是一件非常困難的事情。

二、產(chǎn)品定位：

      正是因?yàn)槿斯ぶ悄艿难该桶l(fā)展以及在化學(xué)/化工領(lǐng)域的快速介入，煙臺(tái)國工智能科技有限公司早早布局“AI+催化”方向，在實(shí)際項(xiàng)目中打磨技術(shù)，打造出國內(nèi)首家專門針對催化劑開發(fā)的AI輔助研發(fā)平臺(tái)“GoCatal®”，將為國內(nèi)化工企業(yè)開發(fā)自己的催化劑IP助一臂之力！

三、產(chǎn)品簡介：

      GoCatal®目前已包含的有針對于金屬-有機(jī)配體類均相催化劑開發(fā)相關(guān)模塊，和針對于無機(jī)晶體類、負(fù)載型等非均相催化劑的開發(fā)相關(guān)模塊，另外有金屬（合金類）及生物酶型催化劑開發(fā)的相關(guān)模塊待發(fā)布（圖1）。這些模塊涵蓋了催化劑研發(fā)過程中的重要過程，如分子生成、性能預(yù)測、結(jié)構(gòu)生成、反應(yīng)預(yù)測、合成路線推薦、實(shí)驗(yàn)優(yōu)化等等。

1、均相催化性能預(yù)測器

     “性能預(yù)測器”和“分子生成器”，其中性能預(yù)測器如圖1所示，其輸入為分子結(jié)構(gòu)（可來自于人工設(shè)計(jì)或算法合成），輸出為此分子的催化性能。

圖1：GoCatal®性能預(yù)測模塊示意圖。

2、均相催化分子生成器

     在有了清晰的“構(gòu)效關(guān)系”后，將其嵌入到分子生成算法中，算法便可以根據(jù)提示朝著所希望的性能去生成分子。結(jié)合前面的性能預(yù)測器一起使用，便形成一整套AI輔助下的催化劑設(shè)計(jì)工具。

 分子生成：直到生成預(yù)測值全部滿足要求的分子，然后選擇其進(jìn)入實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

     通過這樣一種方式進(jìn)行催化劑設(shè)計(jì)，無疑可以顯著增加成功概率！除了前面舉的面向均相催化的“性能預(yù)測器”和“分子生成器”之外，還有“合成路線推薦器”、“結(jié)構(gòu)生成器（非均相催化）”、“單體生成器（高分子材料開發(fā)）”、“實(shí)驗(yàn)優(yōu)化器（工藝包開發(fā)）”等模塊，以及除了催化工業(yè)相關(guān)之外，國工智能在能源、材料行業(yè)的布局也正在展開，下面簡要介紹其應(yīng)用場景和功能。

3、高分子性能預(yù)測器

     在高分子材料研發(fā)中，單體分子結(jié)構(gòu)與聚合工藝對高分子材料性能都有影響。開發(fā)一款高分子材料，關(guān)注的性能比如有拉伸強(qiáng)度、玻璃化溫度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等等。所謂高分子性能預(yù)測器，是針對一類高分子材料，輸入單體，可以給出其二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)，然后結(jié)合聚合工藝，進(jìn)一步預(yù)測其聚合性能。

4、高分子單體生成器

     在高分子材料研發(fā)中，除了聚合工藝外，單體分子結(jié)構(gòu)是影響聚合物性能的主要因素。如何設(shè)計(jì)出新的單體結(jié)構(gòu)，是一件具有挑戰(zhàn)性的事情。在單體-聚合性能關(guān)系建立后，即在“高分子性能預(yù)測器”的基礎(chǔ)上，可以連接“高分子單體生成器”，即根據(jù)所希望的性能，算法可以在廣闊的化學(xué)空間中，反推出可能對應(yīng)這些性能的單體分子結(jié)構(gòu)。

5、非均相催化性能預(yù)測器

     非均相催化是化工體系中的重要一環(huán)。非均相催化體系中，涉及到的催化劑往往以固相存在，而反應(yīng)物可能是氣相或液相，這種反應(yīng)體系更容易對催化劑進(jìn)行分離和回收利用。非均相催化劑可進(jìn)一步分為負(fù)載型、合金型等，其中構(gòu)成催化劑的元素及結(jié)構(gòu)對催化性能有著關(guān)鍵影響。在反應(yīng)類型確定的情況下，“非均相催化性能預(yù)測器”可根據(jù)所輸入的催化劑結(jié)構(gòu)，輸出所對應(yīng)的催化性能，比如活性、分子量、負(fù)載比等。

6、非均相催化結(jié)構(gòu)生成器

      在非均相催化體系中，催化劑以固相或負(fù)載在固相上存在，而催化劑結(jié)構(gòu)、載體結(jié)構(gòu)對催化性能都有著影響。在“非均相催化性能預(yù)測器”的基礎(chǔ)上，后面連接“非均相催化結(jié)構(gòu)生成器”，可以根據(jù)所希望的催化性能，輸出所對應(yīng)的催化劑結(jié)構(gòu)、或載體結(jié)構(gòu)。

7、復(fù)合材料性能預(yù)測器（液晶、涂料、橡膠等）

      很多復(fù)合材料，單體以某種配比進(jìn)行混合后，互相之間不發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，但混在一起展現(xiàn)出某種特定的物理性能，液晶、涂料、橡膠等都具有此類特點(diǎn)。“復(fù)合材料性能預(yù)測器”經(jīng)過一定數(shù)據(jù)量的學(xué)習(xí)，可以根據(jù)所輸入的單體信息（配比、分子結(jié)構(gòu)等），輸出復(fù)合材料的性能。

8、復(fù)合材料單體生成器

      對于液晶、涂料、橡膠來說，不同的組分混合比影響著產(chǎn)品性能，如果能知道什么樣的組分比例可以滿足所期望的性能，那么對于產(chǎn)品開發(fā)將大有幫助。所謂“復(fù)合材料單體生成器”，即在“復(fù)合材料性能預(yù)測器”的基礎(chǔ)上，可以輸入所希望的材料性能，將輸出所對應(yīng)的單體配比，甚至單體分子結(jié)構(gòu)。

9、光電（電光）材料性能預(yù)測器

      光電（電光）材料涉及到光電轉(zhuǎn)換或電光轉(zhuǎn)換，比如OLED（電→光）、光伏電池（光→電）等。這些材料的發(fā)光層或電荷傳輸層，其分子處于單體時(shí)所展現(xiàn)的性質(zhì)與形成器件之后往往會(huì)有較大差異。在一定數(shù)據(jù)量的學(xué)習(xí)下，“光電（電光）材料性能預(yù)測器”可以根據(jù)所輸入的分子結(jié)構(gòu)，預(yù)測其形成器件之后所展現(xiàn)的光電（電光）性質(zhì)。

10、光電（電光）材料分子生成器

      如果知道了分子形成器件后所展現(xiàn)出的光電性能，那么就可以根據(jù)所期望的性能，反推所對應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)。所謂“光電（電光）材料分子生成器”，即在“光電（電光）材料性能預(yù)測器”基礎(chǔ)上，輸入所期望的光（電）性能，可以反推所對應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)。

11、電池材料性能預(yù)測器

     電池研發(fā)當(dāng)前主要是鋰電池研發(fā)，其它還有固態(tài)電池等。以鋰電池為例，包括正、負(fù)極和電解液的研發(fā)，其中電解液中又有不同的添加劑。以電解液添加劑為例，添加劑的分子結(jié)構(gòu)與所展現(xiàn)的性能之間有著密切聯(lián)系。“電池材料性能預(yù)測器”可以根據(jù)所輸入的添加劑分子相關(guān)信息，輸出添加到電解液之后所展現(xiàn)出的性能。

12、電池材料分子（結(jié)構(gòu)）生成器

     當(dāng)知道電池微觀尺度的分子結(jié)構(gòu)等信息與所展現(xiàn)的性能之間關(guān)系之后，可以提出所期望的性能，反推所對應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)。還是以電解液添加劑為例，在“電池材料性能預(yù)測器”的基礎(chǔ)上，后面接入“電池材料分子（結(jié)構(gòu)）生成器”，可以輸入所期望的電解液性能，輸出為對應(yīng)的添加劑信息（分子結(jié)構(gòu)、添加量等）。

13、合成路線推薦器

     當(dāng)給定一個(gè)分子結(jié)構(gòu)之后（可能來自于文獻(xiàn)、專家設(shè)計(jì)、或算法推薦等），如何合成便成了接下來的重要問題。所謂“合成路線推薦器”，結(jié)合了當(dāng)前表現(xiàn)最優(yōu)異的逆合成算法，可以根據(jù)輸入的目標(biāo)產(chǎn)物，輸出推薦的單步或多步合成路線。針對于特定類型反應(yīng)，還可以給出反應(yīng)條件、收率等指標(biāo)的推薦數(shù)值。

14、有機(jī)反應(yīng)預(yù)測器

     當(dāng)給定反應(yīng)物，如果能預(yù)知后續(xù)會(huì)發(fā)生什么樣的一系列反應(yīng)，對于提高主產(chǎn)物收率、副產(chǎn)物利用等有著重要意義。“有機(jī)反應(yīng)預(yù)測器”，根據(jù)所輸入的反應(yīng)物，可以輸出可能得到的產(chǎn)物及產(chǎn)率分布。值得一提的是，與“合成路線推薦器”聯(lián)合使用，對于開發(fā)合成路線來說效果更佳。

15、實(shí)驗(yàn)優(yōu)化器

     當(dāng)給定一條工藝路線之后，所需要調(diào)試的工藝參數(shù)往往需要大量實(shí)驗(yàn)來尋找最佳的參數(shù)組合。“實(shí)驗(yàn)優(yōu)化器”，輸入所希望優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)（工藝）參數(shù)空間，如溫度、壓力、溶劑配比等，以及希望優(yōu)化的性能，如收率、反應(yīng)時(shí)間等，經(jīng)過少量的實(shí)驗(yàn)迭代，可以快速找到最佳性能所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)（工藝）參數(shù)。注意，“實(shí)驗(yàn)優(yōu)化器”在使用過程中，需要與實(shí)驗(yàn)配合使用。