NiFe合金中的NRR催化

金属/合金催化计算解决方案结合电子结构分析（如能带、态密度、Bader电荷、功函数、ELF）与性能评估（吸附能、形成能、d带中心等），全面揭示催化材料的活性与稳定性。

同时支持个性化高级分析，如过渡态搜索、COOP/COHP键强评估、火山图构建与AIMD热稳定性测试，为催化剂设计提供系统、高效的理论支持。

能带结构计算

 

能带是固体物理学中描述晶体中电子能量分布的重要概念，它是由大量原子周期性排列形成晶体时，原子间相互作用使原子能级展宽为一系列连续的能量范围。

在能带中，电子能量只能取该范围内的特定值，不同能带之间可能存在能量禁区（禁带），电子通过吸收或释放能量可在能带间跃迁，能带的结构（如满带、导带、禁带宽度等）直接决定了材料的导电、光学等物理性质，例如导体存在未填满的导带，绝缘体的禁带较宽而半导体禁带较窄且电子易被激发到导带。

基于密度泛函理论（DFT），广泛采用广义梯度近似（GGA-PBE）泛函，或结合杂化泛函（如HSE06）提高带隙精度。对金属体系，需处理电子离域问题，可采用耦合簇理论（CCSDT）外推至完整基组极限。

https://doi.org/10.1038/s41467-025-59460-4

常用软件包括QUANTUM ESPRESSO（流程：pw.x生成自洽场，bands.x处理能带）、VASP、GPAW等。参数设置示例：K点网格（5×5×1至14×14×1），截断能设为全局精细质量，自洽误差容忍度1.0e-5，自旋极化处理。

利用GNUplot或Matplotlib等可视化工具绘制材料的能带结构图，通过直观图像展示不同计算方法下电子能带的变化情况。

具体来说，可以对比使用不同交换相关泛函（如GGA-PBE与DFT-1/2）计算得到的能带图，分析其在导带和价带部分的能带分散度差异，从而评估不同泛函对电子结构精度的影响。这种图像化分析有助于揭示材料的导电性、带隙性质等关键电子特征。

态密度（DOS）分析

 

态密度（Density of States，DOS）是凝聚态物理学中描述电子能量分布状态的物理量，表示在能量E 附近单位能量间隔内的量子态数目，反映了电子在不同能量状态下的分布密集程度。

它通过统计晶体中电子的量子态随能量的变化关系，帮助分析材料的电子结构（如能带填充情况、能隙位置等），进而揭示材料的导电性、磁性、光学性质等。

例如，在金属的费米能级附近态密度较高，电子容易参与导电；而绝缘体或半导体的禁带区域态密度为零，表明该能量范围内不存在允许的量子态。

https://doi.org/10.1038/s41699-025-00560-6

OptaDOS支持固定高斯展宽与自适应展宽方法，适用于计算部分态密度（PDOS）和联合态密度（JDOS）；DensityTool可对VASP输出文件进行后处理，计算空间或自旋分辨的态密度，适用于磁性材料中自旋分裂能级的分析。

在可视化方面，可借助Mathematica脚本实现对DOS曲线的自定义绘制，如使用ListLinePlot添加填充、坐标轴及注释，并可标注费米能级，增强图像信息表达的清晰度与可读性。

https://doi.org/10.1038/s41467-025-58648-y

差分电荷密度与Bader电荷

 

差分电荷是量子化学和固体物理学中用于分析体系电荷分布变化的物理量，通常指两个或多个状态（如原子态、分子态或不同结构模型）之间的电荷密度差值，即实际体系的电荷密度与各孤立原子（或参考态）电荷密度的线性组合之差。

它直观反映了原子间相互作用时电荷的重新分布情况，如电荷的转移、聚集或离域等，可用于研究化学键的形成（如共价键的电荷共享、离子键的电荷转移）、界面电子结构、表面吸附等现象。

例如，在分子体系中，差分电荷密度图可清晰显示成键区域的电荷聚集，帮助理解化学键的本质和分子的极性。差分电荷公式：

用于揭示电荷转移方向（如金属原子与石墨烯间电子积累/耗散）。

Bader 电荷是一种基于量子化学计算（如密度泛函理论 DFT）的电荷分析方法，由美国化学家 David Bader 提出，通过将分子或晶体中的电子密度按照原子的 Voronoi 划分方式（基于电子密度梯度的零通量面）分配到各个原子上，计算每个原子实际占据的电子数与中性原子电子数的差值，从而定量描述原子间的电荷转移情况。

该方法考虑了电子密度的拓扑性质，能更准确地反映原子在成键过程中的电荷得失（如离子键中的电荷转移程度、共价键中的电子共享情况），广泛应用于材料电子结构分析、催化机理研究、表面吸附等领域，为理解化学键本质和材料性质提供重要依据。

功函数计算

 

功函数是确定材料表面将电子从费米能级激发到真空能级所需的最小能量。计算中通常需构建材料表面模型（如截断的晶体超胞），计算表面层的电子结构，获取费米能级位置与真空能级（定义为真空中静止电子的能量）的能量差。

功函数反映材料表面的电子逸出能力，与材料的导电性、光电效应、催化活性、表面吸附等性质密切相关。

例如，金属的功函数较低（电子易逸出），而绝缘体或半导体的功函数较高；在异质结或器件设计中，功函数匹配性直接影响界面电荷传输特性。

电子局域化函数（ELF）

 

电子局域化函数（Electron Localization Function，ELF） 是量子化学和凝聚态物理学中用于描述电子在空间中局域化程度的工具，由 Jean-Pierre Leblanc、André Dedieu 和 Bernard Silvi 等人提出。

它通过对比实际电子密度与均匀电子气的密度涨落，将体系中的电子分为 “局域化”（如孤对电子、成键电子）和 “离域化”（如金属中的自由电子）区域，数值范围在 0 到 1 之间：ELF=1 表示电子完全局域化（如孤立原子的电子），ELF=0 表示电子完全离域化（如均匀电子气），而 0.5 附近通常对应电子共享或离域状态。

ELF 常用于分析化学键类型（如区分共价键、离子键、金属键）、表征固体中的电子局域化现象（如拓扑绝缘体的表面态）、研究材料缺陷或界面处的电子分布，通过可视化的等值面图直观揭示电子的局域化特征，为理解材料电子结构与性质的关系提供关键信息。

其中，为动能密度，为Thomas-Fermi近似值。ELF=1表示完全局域化（如孤对电子），0.5为均匀电子气。

https://doi.org/10.1038/s41598-025-91604-w

总结与工具推荐

 

通过上述方法，金属或合金催化剂的第一性原理计算不仅能够精确获取其电子结构信息，如能带结构、态密度、自旋分布等，还能进一步揭示反应中间体的吸附行为、反应路径及活性中心特征，从而实现电子尺度与反应性能之间的多尺度关联。

这种关联性分析有助于建立微观结构与宏观催化性能之间的因果关系，为高效催化剂的理性设计与性能预测提供坚实的理论基础和量化评价指标，推动催化材料研发的加速。