差分电荷密度的基本原理
差分电荷密度的计算基于密度泛函理论（DFT），其核心思想是通过对比两种状态下的电荷密度来揭示电子的转移过程。具体来说，差分电荷密度图（Δρ）的计算公式为：
其中，状态A代表目标场景（如反应物吸附在催化剂表面），状态B为参考基准（如反应物未吸附时的电荷密度）。通过分析Δρ，可以直观地观察到电子在催化剂与反应物之间的转移路径和方向。
差分电荷密度在催化反应机制解析中的应用
在催化反应机制的研究中，差分电荷密度图能够揭示电子在催化剂与反应物之间的转移过程，从而帮助研究者理解反应路径和过渡态的形成。
例如，在析氧反应（OER）中，Co–Pd界面处的显著电子富集现象表明，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。这种电子转移机制的可视化，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。
差分电荷密度在催化剂结构设计中的应用
在催化剂结构设计方面，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。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。
例如，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。
此外，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。
差分电荷密度在催化性能评估中的应用
在催化性能评估方面，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。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。
例如，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。
差分电荷密度在光催化中的应用
在光催化领域，差分电荷密度图同样发挥着重要作用。例如，在Zn0.3Cd0.7S催化剂的光重整过程中，析氢反应（HER）和生物质氧化反应（BOR）的产氢吉布斯自由能和界面差分电荷计算进一步深入探究了光重整的反应机制。
研究结果表明，Zn0.3Cd0.7S催化剂的形成能够降低析氢反应的自由能值，更有利于催化剂表面对质子的吸附和脱附，从而增强光催化析氢反应；界面差分电荷数据结果表明，Zn0.3Cd0.7S催化剂的WZ相吸附葡萄糖分子后，界面电子密度增加，更有利于得到葡萄糖分子的电子发生氧化反应。
差分电荷密度在MOFs中的应用
在金属有机框架（MOFs）研究中，差分电荷密度图被广泛用于分析电荷分布和电子转移过程。例如，在Fe-MOFs催化降解双酚A的研究中，差分电荷密度图揭示了Fe簇与MOFs之间的电子耦合机制，为催化剂的优化设计提供了理论基础。
此外，在MOFs衍生金属碳吸附剂分离氙和氪的研究中，差分电荷密度图帮助研究者理解了吸附剂与目标气体之间的电子相互作用，从而优化了分离效率。
差分电荷密度在电催化中的应用
在电催化领域，差分电荷密度图被广泛用于分析催化剂的电子结构和反应机制。例如，在NiFe-LDH和Ru/CoFe-LDH催化剂的研究中，差分电荷密度图揭示了Au原子和Ru原子在催化剂表面的活性位点，以及它们对OER性能的影响。
此外，在Co-Cu双原子催化剂的研究中，差分电荷密度图显示了双原子催化剂在吸附二氧化碳和生成一氧化碳过程中的电子转移路径，表明铜的加入弱化了鼓的吸附，降低了生成一氧化碳的难度。
差分电荷密度在生物质催化中的应用
在生物质催化领域，差分电荷密度图被用于分析催化剂与反应物之间的电子相互作用。例如，在Pd@NHCS催化剂的研究中，差分电荷密度图揭示了吡啶氮掺杂碳对Pd活性位点的电子调控作用，形成了富电子的活性中心，从而提高了香草醛水相加氢脱氧的催化性能。
此外，在氮杂环亚胺分子与过渡金属表面吸附构型转变的研究中，差分电荷密度图揭示了分子表面吸附构型对其界面电子转移效率的影响，为非均相催化剂的设计优化提供了微观图像和分子层次的细致机理。
差分电荷密度在光催化中的应用
在光催化领域，差分电荷密度图被用于分析催化剂的电子结构和反应机制。例如，在Co3O4@Gr复合材料上SO4•−的生成机制研究中，差分电荷密度图揭示了Co3O4与石墨烯之间的电子转移过程，为光催化降解有机污染物提供了理论支持。此外，在Fe3@SWCNT和Fe3@N-SWCNT的电荷密度分析中，差分电荷密度图揭示了Fe3簇对碳纳米管电子结构的影响，为光催化材料的设计提供了理论基础。