描述符’,来指导材料设计。
对于oer,常见的描述符有金属离子的d带中心、氧空位浓度、导电性等。
但我们系统测量了这些参数后,现它们与催化活性之间的关联非常弱,甚至是矛盾的!
无法解释为什么某个看似‘平庸’的样品反而性能最好。”
“其次,是反应动力学的复杂性。”
他切换了一张图表,上面是不同电位下的电流-时间曲线和电化学阻抗谱数据,“oer是一个多电子、多步骤的复杂过程,可能涉及多个中间体的吸附脱附。
我们尝试用经典的巴特勒-伏尔默方程或者更复杂的动力学模型去拟合,但拟合度很差,尤其是无法重现催化剂在长时间运行过程中活性‘自优化’的奇特现象——性能会随着反应的进行缓慢提升,然后达到一个稳定平台。”
周教授叹了口气:“我们现在就像是‘盲人摸象’,合成了一堆有希望的材料,却不知道其高效的本质原因,更谈不上理性的定向设计。
数据很多,但信息很少,感觉有一层迷雾挡在前面。”
张诚凝神倾听着,大脑飞运转。
化学问题的复杂性似乎比物理问题更具“个案性”
和“经验性”
。
他意识到,这本质上仍然是一个“从复杂、多维的实验数据中提取有效信息和建立可靠模型”
的问题,与他在物理项目中解决的问题内核相似,但具体工具和知识背景截然不同。
“周教授,我可能需要一些时间熟悉一下具体的数据和相关的电化学、催化理论基础。”
张诚谨慎地说道,“不过,从数学和数据分析的角度看,您遇到的‘描述符失效’和‘动力学模型不适用’问题,可能意味着几个方面:一是我们选择的描述符可能并非真正的决步描述符,或者存在多个描述符的协同作用;二是传统的模型假设可能过于理想,忽略了催化剂表面在反应过程中的动态重构、局域环境变化等非线性效应。”
周教授眼睛一亮:“对!
我们也有这种猜测,但苦于没有合适的方法去验证或量化这些效应!”
张诚初步浏览了周教授课题组积累的大量数据:包括不同样品的x射线衍射(xrd)、x射线光电子能谱(xps)、透射电镜(te)、比表面积测试等结构表征数据,以及完整的电化学性能数据(循环伏安、线性扫描伏安、计时电流法、阻抗谱等)。
数据维度高,变量多,且相互交织。
接下来的几天,张诚化身“化学突击队员”
。
他泡在图书馆和网上,疯狂恶补电催化基础理论、oer反应机理的各种假说、以及常用的电化学数据分析方法。
同时,他开始运用他强大的数学工具,对周教授提供的数据进行“地毯式”
的分析。
第一步,降维与关联分析。
面对几十个样品、数十个测量参数构成的庞杂数据矩阵,他先运用了主成分分析(pe)等无监督学习方法,试图在低维空间中现样品之间的自然聚类规律,并找出那些对样品区分贡献最大的原始变量。
结果令人惊讶。
传统的单一描述符(如的d带中心估算值、氧空位相