先来回顾个旧闻。
1989年3月，美国犹他大学的两名化学家Martin Fleischmann和Stanley Pons高调地举办了一个新闻发布会。在会上他们宣布了一个“氢弹”级别的科学发现——“冷聚变（cold fusion）”。他们宣称，仅仅依靠常规的电化学设备电解重水就能实现氘原子的核聚变反应。因为反应在室温下进行，所以称之为“冷聚变”；与之相对的，是大家所熟知的氢弹爆炸以及太阳核心内发生的热核聚变反应。更加吸引眼球的是，Fleischmann和Pons宣称冷聚变反应可释放巨量热量，换句话说，该反应可为人类带来“用之不竭”的清洁能源。这一发现让几乎所有人瞠目结舌，很多独立课题组开始重复这一明显违背物理学规律的实验，其中甚至包括很多中学生，一时间，“冷聚变”成了美国街头巷尾的热议话题。[1,2]
Fleischmann和Pons的实验装置示意图。阴极是钯金属。图片来源：Wikimedia
那么，冷聚变到底能不能重复？呃……看看当今世界对石油和天然气等化石能源的依赖，结果就已经不言自明了。
随着最初公众对冷聚变争议的消退，科学界也在反思，此次事件中审查和传播突破性科学成果的正常程序为什么会失效？可重复性不应该是科学的基本原则吗？有人表示，这两位化学家当时受到了所在学校的巨大压力，一方面要申请专利以确立优先权，一方面还要确保未来能获得大笔的研究资金。[3,4] 这种压力既破坏了仔细分析实验结果所需的冷静，也破坏了等待同行评审所需的耐心。
当时的冷聚变实验装置。图片来源：Wired [1]
上述事件并非孤例。上周我们还报道了另外一项“诺奖级”Nature 封面论文的撤稿（点击阅读详细）。
结果无法重复，这个问题伴随着科学研究的发展。日前，加州大学圣巴巴拉分校的Susannah L. Scott教授等人在ACS Catalysis 杂志撰写社论文章“To Err is Human; To Reproduce Takes Time” [4]，讨论了科学研究尤其是催化科学研究中的可重复性问题。
2016年，Nature发起的一项涉及超过1500名科学家的调查显示，超过70%的科学家表示曾无法重复其他课题组的实验结果，甚至~60%表示连自己课题组的实验结果都未能重复。[5] 大家普遍认为可重复性问题的重灾区在社会科学以及生物、医学领域，但实际上，号称实验科学的化学也一样面临挑战。举个例子，Organic Syntheses 这本期刊要求发表的每一个反应都可重复，但在 2010-2016 年期间提交的论文稿件中，大约有八分之一也无法重复。毫无疑问，一项研究结果的发布，特别是在顶级期刊发布的研究结果，如果可重复性差或不可重复，那么就意味着一系列问题：未来的研究者不能以先前的结果为基础开展工作，大量资源以及研究者时间和精力的浪费，以及公众对科学的信任度降低。更有甚者，如果一项科学发现在工业化应用过程中被发现很难重复，会在工业界和学术界之间产生不信任，并破坏二者的合作。
Nature发起的调查结果。图片来源：Nature [5]
对于催化科学来说，可重复性问题在研究项目的多个阶段都会带来影响，从催化材料的合成及其活化开始，延伸到所有类型的速率、选择性和稳定性测定，以及反应机制和理论计算研究。
均相催化研究在可重复性上或许具有某些优势，因为分子化合物的精确结构和纯度通常可以分别通过单晶X射线衍射和元素分析来验证。结晶粉末如沸石和MOF可以通过X射线衍射数据分析来进行识别。然而，所有这些“均匀”的催化材料在活化过程中和反应条件下都可能（并且经常会）发生演化。也就是说，结构确切的催化剂并不能确切保证催化活性可重复，少数分子物种、浸出的成分、缺陷或稀有的表面位点，这些都可能是观察到的催化活性的来源。此外，分子预催化剂的原位活化、使用无定形催化剂（即缺乏长程有序）或含有非晶组分的结晶催化剂、添加促进剂（通常本身是非均相的）以及纳米催化材料固有的不均匀性，都可能让研究人员面临更加复杂的可重复性问题。
另外一个常见的问题是催化剂组分的纯度问题。举个例子，一组化学家最初认为Nozaki-Kishi-Hiyama偶联反应是CrCl2催化的，[6] 但是重复该反应时却遇到了困难，后来发现是由于反应中混入了镍杂质，也就是说，该反应其实是在Cr-Ni双金属催化下进行的。
Nozaki-Kishi-Hiyama偶联反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc. [6]
此外，试剂或其它添加剂中的金属污染也会导致许多“无金属”均相催化反应无法重复。2003年，伦敦国王学院Leadbeater等人报道了一种微波辅助的Suzuki-Miyaura交叉偶联反应，[7] 无需添加过渡金属催化剂便可进行。但是，当他们的实验室搬到大西洋彼岸后，作者发现只有英国购买的Na2CO3才能进行该反应，而美国购买的Na2CO3却不能反应，这是怎么回事？原来，在英国购买的Na2CO3中含有50 ppb Pd，这些残留的钯催化剂具有高活性，足以催化该反应。
微波辅助的Suzuki-Miyaura交叉偶联反应。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed. [7]
多相催化领域也存在类似的各种问题。例如：1）高纯度金粉（>99.99%）中的银杂质或者从AuAg合金浸出的残留Ag已被证明在催化氧化中可以活化O2；2）KOH电解质中存在的Fe杂质在提高NiOOH-基电催化剂的析氧反应（OER）活性方面发挥着关键作用，[8] 即便是0.01%的Fe也能提高催化活性；3）杂原子掺杂石墨烯中存在的痕量金属杂质被证明是一些“无金属”电催化氧还原反应中真正的电催化位点。此外，反应速率的准确测量依赖于对所有反应条件（浓度、流速、温度等）的精确控制，任何一项出问题都可能导致实验无法重复；多相光催化反应的可重复性还涉及温度不确定性的问题，特别是使用功率照明的情况下；计算研究似乎影响因素要少一些，不过如果使用了非开源软件或非公开的代码，别人要重复起来就比较困难。
Ni-Fe氢氧化物析氧电催化剂。图片来源：J. Am. Chem. Soc. [8]
除了客观原因，实验无法重复也可能是学术不端行为的结果，包括伪造（Fabrication）、篡改（Falsification）和剽窃（Plagiarism），简称为FFP。在进入实验室之前的相关培训不足以及管理不够严格，也可能是不端行为的重要原因。
要保证科学研究的可重复性，必须要做到以下几点：严格要求作者对公开发表论文中的研究方法、操作过程、数据处理等进行详细陈述，以便其它研究人员进行重复实验；审稿人要仔细检查正文以及Supporting Information中是否对实验过程和计算程序进行了详细的描述；出版社在刊登研究内容时要尽可能包括更多的细节。尽管实现这种高标准耗时耗力，但是有助于未来科学的发展。此外，可提高可重复性的方法还包括：使用适当的统计方法重复和分析催化性能（活性、选择性、产率等）的测量以评估其重要性；广泛使用标准化催化材料等等。
“人非圣贤，孰能无过”，研究者首先是人，其次才是科研工作者，他们在研究过程中也会不可避免地犯错误。事实上，科学研究的本质就是不断地自我纠错。但相对于当前科学研究的快速进步和大量结果而言，这个自我纠错的过程则显得缓慢。因此，必须采取正确的激励措施来快速纠正错误。研究机构和资助机构应鼓励研究人员进行可重复的研究，并为处于职业早期的研究人员提供可重复性研究相关的培训和指导。研究机构评价研究人员的绩效指标应该向可重复性倾斜，而不是简单地以期刊影响力高低论英雄。同时，期刊出版机构应该采取更多措施来减少与论文更正和撤稿相关的障碍和污名化，避免给改正无心之失的研究人员带来不必要的心理压力。
总之，可重复性作为科学的基本原则，每个科研工作者都应心存敬畏。
参考资料：
1. March 23, 1989: Cold Fusion Gets Cold Shoulder
https://www.wired.com/2009/03/march-23-1989-cold-fusion-gets-cold-shoulder-2/
2. Pair Proclaim Nuclear Fusion Breakthrough : Scientists in Utah Say Simple Table-Top Device Produces More Energy Than It Uses in Tests
https://www.latimes.com/archives/la-xpm-1989-03-24-mn-113-story.html
3. Lessons from Cold Fusion, 30 Years On. Nature, 2019, 569, 601.
4. To Err is Human; To Reproduce Takes Time. ACS Catal.,2022, 12, 3644
5. 1,500 Scientists Lift the Lid on Reproducibility. Nature, 2016, 533, 452.
6. Reactions of Alkenylchromium Reagents Prepared from Alkenyl Trifluoromethanesulfonates (Triflates) with Chromium(II) Chloride under Nickel Catalysis. J. Am. Chem. Soc., 1986, 108, 6048
7. Transition-Metal-Free Suzuki-Type Coupling Reactions. Angew. Chem. Int. Ed., 2003, 42, 1407.
8. Nickel-Iron Oxyhydroxide Oxygen-Evolution Electrocatalysts: The Role of Intentional and Incidental Iron Incorporation. J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 6744.
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