差分电荷密度图作为密度泛函理论（DFT）中的关键分析工具，广泛应用于催化研究领域，通过电子密度的可视化对比揭示电子在反应过程中的迁移路径与重组行为。该方法在三个核心方向中展现出独特价值：
在反应机制解析中，用以识别活性中心与反应物之间的电荷转移行为。
在催化剂结构设计中，可评估不同构型对局域电子环境的调控能力。
而在性能评估与归因方面，则帮助建立结构–电子–性能之间的关联。
通过实际文献分析可以发现，差分电荷密度图不仅提供直观证据，更有助于支撑催化反应路径模型构建、催化剂合理设计及实验结果的理论解释。
差分电荷密度图（Difference Charge Density Map, DCDM）是基于密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算的电子结构可视化方法，通过比较反应体系、基底与吸附组分的电子密度，展示催化过程中电子得失情况。
它能够有效反映反应前后体系中电子重排、转移和再分布的空间分布特征，是研究催化反应机制、催化剂结构调控与性能归因的重要工具。
本文将围绕反应机制解析、催化剂结构设计与催化性能评估三大方向，系统梳理差分电荷密度图的核心功能与理论价值，并结合代表性文献进行应用分析。
在反应机制解析中，差分电荷密度图主要用于揭示催化反应过程中的电子行为，特别是在反应物吸附、活化、过渡态形成以及键合断裂等关键步骤中的电子迁移路径与重组规律。
该方法能够定性识别反应中心的电子供体与受体，明确电子转移方向与强度，从而辅助建立微观反应机制模型。通过对比反应各阶段的电子分布，研究人员可以有效判断反应是否遵循 Langmuir-Hinshelwood 或 Eley-Rideal 等路径，并分析电子行为在降低反应能垒中的作用。
DOI:10.1038/s41467-025-58640-6
Zhou 等（2025）在研究 PdCo 纳米片在锂氧电池中析氧反应（OER）机制时，应用 差分电荷密度图 揭示了 Co–Pd 界面处的显著电子富集现象。图像显示反应中 Co 作为电子供体，Pd 区域形成电子密度聚集，从而增强了过渡态的稳定性并降低了反应能垒 。
这类研究中，差分电荷密度图 的作用在于将“电子转移机制”具象化，使得研究者能够从空间分布的角度构建更加合理的催化反应路径图谱。
在结构设计方向中，差分电荷密度图被广泛用于评估催化剂内部结构对其电子分布的调控能力，尤其是在单原子催化剂、多金属合金、掺杂结构或异质结界面体系中。
通过可视化分析不同构型或元素组合带来的电子行为变化，研究人员能够识别潜在的高效活性位点，并揭示金属中心与其配位环境之间的电子耦合机制。
此外，该方法还适用于评估缺陷结构、掺杂原子或界面引导的电子转移路径，为构建具备协同效应的催化体系提供理论基础。
Park 等（2025）通过引入 Ir 原子掺杂 RuO₂ 构建多金属氧化物体系，利用差分电荷密度图发现 Ir 原子引发其周围 Ru 原子电荷重排，使得反应中间体在 Ir–Ru 边界的吸附能调节至更适应的区间，为催化过程提供稳定电子平台 。
Shi 等（2025）系统分析了 Pd 单原子在不同载体上的电子行为，利用差分电荷密度图显示 Pd 与载体之间前线轨道之间存在明显电子耦合现象，该结构解释了不同载体对催化活性的影响 。
此外，Boro 等（2023）研究了铁中心配位于功能化多孔聚合物骨架中的结构设计，通过差分电荷密度图结合 Bader 分析，揭示 C–H 活化过程中的电荷富集现象，是局域活性中心构型设计的重要电子证据 。
DOI:10.1038/s41467-025-55910-1
差分电荷密度图在结构设计类研究中不仅具备可视化电子行为的功能，更常用于与其它电荷/能级分析手段联合构建电子结构–构型关系图谱。
在催化性能评估方向，差分电荷密度图的核心功能在于揭示不同催化剂或构型之间电子结构差异对催化性能的影响机制。研究通常围绕吸附中间体的电子响应、反应位点的电子富集/耗散特征以及电子结构变化对反应活性的调控能力展开。
通过对比不同材料体系中关键反应步骤前后的电子分布，可以明确催化性能提升的电子本质来源，并从微观层面解释实验中观测到的过电位降低、产率提升或选择性增强现象。
Wang 等（2023）研究 Ir–P 双原子对构建的复合位点，用差分电荷密度图展示其在氢氧化反应（HOR）中的电子分布特征。结果显示，P 原子通过诱导电子流向 Ir 原子，增强了活性中心的电子供给能力，从而提高了整体反应效率 。
Sun 等（2023）则在构建用于 Li–CO₂ 电池的双核铜络合物中，通过差分电荷密度图可视化 Cu(I)/Cu(II) 的电子重组行为，发现双核结构更有利于稳定中间体吸附态，是其高放电平台的电子机制依据 。
DOI:10.1038/s41929-023-01017-z
差分电荷密度图在该类研究中常被用作辅助解释结构–性能关系的可视化工具，为实验性能数据提供理论电子结构支撑。
差分电荷密度图通过直观展示电子在催化反应过程中的空间重排特征，已成为理论催化研究中不可或缺的分析工具。
其在反应路径识别、催化剂构型优化及催化性能归因方面展现出多维度的应用能力，能够有效衔接电子结构分析与催化行为解释，为原子尺度的催化剂设计与机制建模提供坚实支撑。
随着计算模拟方法与数据分析技术的不断发展，差分电荷密度图将持续扩展其在多尺度催化研究中的应用范围，推动催化科学向精准建模与智能设计方向迈进。
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