Scientific Deep Machine Learning Concepts for the Prediction of Concentration Profiles and Chemical Reaction Kinetics: Consideration of Reaction Conditions

单变量 灵活性(工程) 化学动力学 计算机科学 人工神经网络 化学反应 多元统计 参数空间 生物系统 动力学 机器学习 化学 数学 物理 统计 量子力学 生物化学 生物
作者
Niklas Adebar,Julian Keupp,Victor N. Emenike,Jonas Kühlborn,Lisa vom Dahl,Robert Möckel,Jens Smiatek
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:128 (5): 929-944 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.jpca.3c06265
摘要

Emerging concepts from scientific deep machine learning such as physics-informed neural networks (PINNs) enable a data-driven approach for the study of complex kinetic problems. We present an extended framework that combines the advantages of PINNs with the detailed consideration of experimental parameter variations for the simulation and prediction of chemical reaction kinetics. The approach is based on truncated Taylor series expansions for the underlying fundamental equations, whereby the external variations can be interpreted as perturbations of the kinetic parameters. Accordingly, our method allows for an efficient consideration of experimental parameter settings and their influence on the concentration profiles and reaction kinetics. A particular advantage of our approach, in addition to the consideration of univariate and multivariate parameter variations, is the robust model-based exploration of the parameter space to determine optimal reaction conditions in combination with advanced reaction insights. The benefits of this concept are demonstrated for higher-order chemical reactions including catalytic and oscillatory systems in combination with small amounts of training data. All predicted values show a high level of accuracy, demonstrating the broad applicability and flexibility of our approach.
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