差分电荷密度与Bader电荷在电荷转移研究中的应用差异对比

差分电荷密度（Differential Charge Density）和Bader电荷（Bader Charge）是研究分子和固体材料中电荷分布的两种不同方法。差分电荷密度表示在分子或晶体中，某一区域的电荷变化情况，通常是通过计算不同状态下的电子密度差异来描述的

差分电荷密度与Bader电荷在电荷转移研究中的应用差异主要体现在观测维度、数据呈现和应用场景三个层面。以下是具体对比与实例说明。

DOI：10.1016/j.apsusc.2022.154741

差分电荷与Bader电荷联合

催化反应中的吸附分析

差分电荷密度

XPS分析表明，In向SnO₂转移电子，Sn 3d向高结合能偏移0.6 eV，In 3d向低结合能偏移0.4 eV，证实界面电子重构。DFT计算In-SnO2界面电荷密度差异显示In电子耗散、SnO₂电子富集，形成富电子SnO₂与缺电子Inδ+位点，促进In 5p轨道与CO₂反键轨道的杂化，优化*OCHO中间体稳定，从而提升CO₂催化活性。

适用场景：快速定位电荷转移区域，指导活性位点设计。

In 3d XPS谱图（a, b）和DFT计算差分电荷密度（c, d）

Bader电荷

定量得出Pt原子平均失去0.5e，O原子获得0.8e，验证O₂活化程度。

适用场景：评估电荷转移对催化活性的定量贡献。

计算E_ads（吸附能）为0.56 eV（图a），表明存在物理吸附。相比之下，BOB/TC-OH的E_ads为-2.05 eV（图c），表明是化学吸附。与吸附在BOB上的CO₂分子量相比，吸附在BOB/TC-OH上的CO₂的键角从180 °减小到120.92°，而键长分别从1.176 °增加到1.276 °和1.317 °。

这些键角和键长的变化表明CO₂在BOB/TC-OH上容易被活化，促进其参与后续反应。此外，BOB的电荷密度差和Bader电位分析（图b）显示，CO₂通过化学吸附仅从BOB获得0.014 e^–，表明CO₂和BOB之间发生的电子转移最小。这种有限的电子转移阻碍了光催化还原反应的有利发生。

然而，在BOB/TC-OH中刘易斯碱性位点的成功构建导致了强相互作用。CO₂分子链中的碳原子（C）从羟基氧接收孤对电子，随后转移到CO₂分子两端的氧原子。这种电子转移过程促进了CO₂的进一步活化，导致*COOH物质的形成。在整个过程中，CO₂增加了1.374 e^–（图d）。这些结果清楚地表明，路易斯碱位的构建有效地增强了CO₂的吸附和活化。

掺杂半导体（N-ZnO）

差分电荷密度：正值区域（如蓝色等值面）表示电子积累，负值区域（如红色等值面）表示电子耗散，二者空间分布直接反映电荷转移方向与程度。

DOI: 10.1021/jacs.2c13596

（a）Gr-Ca2N和Gr-Y2C在Z方向上的差电荷密度的平面平均密度。（b）Gr-Ca2N和Gr-Y2C的3d金属原子相对于石墨烯的转移电荷。（c，d）Co-Gr-Ca2N和Fe-GrY2C的差分电荷密度（DCD）图。黄色和蓝色区域分别表示电子的增益和损失。在电荷密度为0.01（或−0.01）e−/bohr3的情况下获取等表面。

Bader电荷：计算N原子获得0.7e，Zn原子失去0.3e，定量验证掺杂引起的电荷再分配 。

离子键分析（NaCl）

Bader电荷：直接给出Na⁺（+0.93e）和Cl⁻（-0.93e）电荷量，明确离子键特性 。

不适用差分密度：孤立原子电荷密度叠加无法反映离子键的电荷转移本质。

在单原子催化剂（SACs催）化体系中：二维石墨烯和电子化合物异质结上单原子催化的第一性原理研究。电子化合物层中的阴离子电子气能够向石墨烯层进行大量的电子转移，转移程度可以通过选择电子化合物来控制。

电荷转移调控了单金属原子的d轨道电子占据，从而增强了析氢反应（HER）和氧还原反应（ORR）的催化活性。吸附能Eads与电荷变化Δq之间的强相关性表明，界面电荷转移是异质结催化剂的关键催化描述符。多项式回归模型证明了电荷转移的重要性，并准确预测了离子和分子的吸附能。

原子结构、静电势、功函数和电子密度

差分电荷密度如同“电荷流向地图”，擅长描绘电子运动的宏观路径；Bader电荷则像“原子电荷天平”，专注测量微观尺度的电荷得失。二者结合可实现从现象到数据的闭环分析，是揭示电荷转移机制的核心工具组合 。