,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、氧空位相对含量)在pca图中并未显示出与活性(用达到1oa2电流密度所需的过电位η??表示)的明确线性关系。
然而,当张诚引入了一些复合参数,例如“(金属a的电负性x含量)+(金属b的离子半径x含量)”
或者“(比表面积)x(某个xps峰位的结合能位移)”
等看似非常规的组合时,在二维投影图上,高活性样品突然清晰地聚集在了一个特定的区域!
“这提示我们,”
张诚对周教授解释说,“催化活性可能并非由单一因素决定,而是由几种微观电子结构因素和宏观结构因素的‘协同耦合’所控制。
我们需要寻找的是这种‘协同描述符’,而不是孤立的参数。”
第二步,动力学数据的深度挖掘。
对于棘手的反应动力学问题,张诚没有拘泥于传统的预设机理模型拟合。
他转而采用了一种更“唯象”
和“数据驱动”
的方法。
他先对计时电流曲线进行了时频分析,现高性能催化剂在反应初期存在一个特定的、缓慢变化的电流增长模式,其时间常数与阻抗谱中某个中频seicirc1e的变化时间尺度吻合。
这暗示了催化剂表面确实存在一个缓慢的“活化”
或“重构”
过程。
接着,他大胆地尝试将符号回归(一种基于遗传算法等方法,从数据中自动寻找数学表达式的手段)应用于电流-电位关系数据。
他没有预先假设反应路径,而是让算法自己去现最能拟合数据的数学形式。
经过大量计算,算法筛选出的最优表达式,并非经典的指数形式,而是一个包含电位对数和倒数项的复杂函数。
当张诚将这个数学表达式“翻译”
成可能的物理化学语言时,他推测这可能对应着一个表面活性位点密度随电位动态变化,且反应率受表面电场和反应中间体覆盖度共同调制的复杂机理。
第三步,多尺度建模的尝试。
基于以上数据分析的线索,张诚向周教授提出了一个需要计算化学支持的验证思路:能否对几个关键样品(高活性、低活性)进行密度泛函理论(dft)计算,但
