说明：本文华算科技介绍了电荷转移相关的多方面研究。读者可系统学习到电荷转移在不同体系中的机制、测量技术及应用，了解如何通过研究电荷转移来优化材料性能、推动能源等领域的发展。
电荷转移是指电子或电荷从一个供体（Donor）转移到一个受体（Acceptor）的过程。
分子系统中，这种转移通常伴随着能量的变化，例如在光合作用中，光能被吸收后，电子从叶绿素分子转移到反应中心，从而启动电子传递链。在固体材料中，电荷转移可能涉及缺陷、界面或异质结构，如石墨烯与金属或半导体之间的电荷重新分布。
电荷转移主要分为局域电荷转移和非局域电荷转移两种类型。局域电荷转移通常在相邻原子之间发生，而非局域电荷转移则涉及更广泛的分子或材料体系。在非局域电荷转移过程中，电子可能在多个原子或分子之间跳跃，形成复杂的电荷迁移路径。
图1：电荷转移。DOI：10.1021/acs.jpcc.0c10171
1、化学反应中的电荷转移
在化学反应中，电荷转移通常表现为电子从还原剂转移到氧化剂，形成新的化学键。例如，在氧化还原反应中，电子转移是氧化还原反应的核心机制。
电荷转移的速率和效率受电子耦合、重组能和驱动力等因素影响，Marcus理论对此有重要描述。研究方法包括光谱学（如飞秒光谱）、电化学分析（如循环伏安法）和计算建模（如DFT计算）等。
图2：化学反应中的电荷转移
2、电化学过程中的电荷转移
在电化学过程中，电荷转移主要发生在电极与电解质之间的界面。电极反应（如氧化和还原反应）是电化学反应的核心，电位差、电流密度和电极材料等因素影响反应速率和效率。
例如，电化学电池中，阳极发生氧化反应（失去电子），阴极发生还原反应（获得电子），电子通过外部电路转移。
图3：电化学过程中的电荷转移
3、光诱导电荷转移
光诱导电荷转移是指在光的作用下，电子从一个分子或原子转移到另一个分子或原子的过程，常见于光化学反应（如光解水、光催化氢气生成）。光子能量、分子结构和环境条件影响转移效率。例如，光诱导电荷转移在光化学反应中是关键步骤，涉及光激发态的电子转移。
图4：光激发态的电子转移
4、离子化过程中的电荷转移
在离子化过程中，电荷转移通常表现为电子从一个原子或分子转移到另一个原子或分子，形成正负离子。这种电荷转移可通过电场、磁场或化学反应等方式实现。例如，在电解过程中，电荷转移是电流流动的基础。
图5：离子化过程中的电荷转移
1、光谱学技术
1）X射线光电子能谱（XPS）：用于分析材料表面元素组成和化学态，表征电荷转移路径。例如，在光催化CO2还原中，XPS可以表征钙钛矿纳米点与介孔二氧化钛（M-Ti）接触时的电荷转移。
钙钛矿的费米能级较高，暗条件下电子自发流向M-Ti，导致M-Ti的Ti 2p和O 1s结合能负移，钙钛矿Cs 3d结合能正移，表明电荷从钙钛矿转移到M-Ti。
光照时，Ti 2p和O 1s结合能正移，Cs 3d结合能负移，显示光生电子从M-Ti迁移到钙钛矿，进一步证实光诱导电荷转移。这种机制有效促进光生电荷分离，提升光催化性能。
图6：XPS表征电荷转移。10.1002/ange.202200872
2）飞秒瞬态吸收光谱：通过飞秒激光脉冲激发样品，可以观测到电子在不同能级之间的跃迁过程，从而揭示电荷转移的详细机制。例如下图，在CdS@PDB复合材料的光谱中检测到一个额外的负峰（约710 nm），这一峰在纯CdS和PDB中未观察到。
此峰归因于CdS与PDB之间的界面电荷转移（ICT）信号，为S型异质结电荷转移机制提供了直接证据。通过拟合衰减曲线，计算得到界面电荷转移的寿命约为78.6皮秒，表明了光生电子从CdS的导带转移到PDB的HOMO能级的过程。
图7：飞秒瞬态吸收光谱。DOI：10.6023/A23010017
3）拉曼光谱与光致发光谱：拉曼光谱和光致发光谱是研究电荷转移的重要手段。
例如，通过拉曼光谱可观察到电荷转移导致的峰位移、分峰等特征变化，如下图展示了电化学加载下峰位频移与晶格结构演化的定量关系，直接关联了电荷转移对材料性能的调控机制。
此外，光致发光光谱可揭示电荷转移对材料发光性能的影响，如石墨烯–二硫化钼异质结中发光峰位移的观察。
图8：拉曼光谱与光致发光谱研究电荷转移
2、电化学测试
通过调节电极能量改善电荷转移，研究界面电荷转移过程。例如，结合电化学与光谱技术的EC-SERS、EC-SHINERS、EC-TERS等技术，实现了对电荷转移过程的高时空分辨率检测和分子水平的化学识别，为深入理解光催化反应机制提供了有力工具。
图9：用于研究电荷转移过程的光电化学技术。DOI：10.1038/s41570-022-00368-8
3、原子力显微镜（AFM）和扫描凯文探针显微镜（SKPM）
用于纳米尺度接触电荷转移的定量表征。例如，通过AFM探针与二氧化硅（SiO2）之间的摩擦产生的摩擦电荷，以及在SKPM模式下对表面电位进行表征，可以分析电荷转移。
图10：AFM与SKPM表征
1、差分电荷密度图和Bader电荷分析
差分电荷密度图和Bader电荷分析用于电荷转移的物理本质分析。当两个组分（如分子与表面）接近时，电子会因电负性差异、轨道杂化或静电作用发生迁移。
差分图通过对比复合体系与孤立体系的电荷密度，剥离了未相互作用时的本底电子分布，仅保留由化学键或物理吸附诱导的电子再分配。
图11：差分电荷密度图和Bader电荷分析电荷转移。DOI：10.1002/smll.202500414
2、功函数分析
当两种不同材料相互接触或发生化学反应时，由于它们的功函数不同，会导致电子在界面处发生转移，以达到新的电子平衡状态。功函数较低的材料会失去电子，功函数较高的材料会获得电子，直到两者的费米能级对齐。
例如，研究员构建了金属自由的二维vdW异质结phosphorene/g-C3N4，计算显示g-C3N4的功函数（4.69 eV）高于phosphorene（5.01 eV），因此电子倾向于从g-C3N4迁移至phosphorene，进而在界面处产生差分电子密度增强的现象。
图12：功函数分析电荷转移。DOI：10.1002/adma.201800128
1、能源存储与转换
电荷转移在能源存储和转换技术中起着核心作用。在锂离子电池中，锂离子在正负极之间的迁移伴随着电子通过外部电路的转移，实现电能的存储和释放。
太阳能电池中，光生载流子（电子和空穴）在半导体材料中分离并转移到电极，完成光电转换。这些应用中，电荷转移的效率直接影响设备的性能和能量转换效率。
通过构建单原子桥实现直接电子转移，显著提升了太阳能转化性能。在C3N4/Ru – Shewanella系统中，Ru单原子桥促进了光生电荷的有效分离，降低了电子转移势垒，使直接电子摄取量增加了11.0倍，太阳能驱动的H₂产量提升了47.5倍，量子产率达到8.46%。
图13：生物-非生物界面的电荷转移动力学。DOI：10.1038/s41467-025-62062-9
2、环境科学
电荷转移在环境科学中用于开发高效的污染物降解和净化技术。在光催化降解中，光生载流子在催化剂表面与污染物分子相互作用，实现污染物的降解。
在电化学传感器中，电荷转移用于实时监测环境污染物的浓度。这些应用中，电荷转移的效率和选择性对于提高环境监测和治理效果至关重要。
例如，在ZnO/C3N4-Cg异质结中，边缘石墨烯结构为电子提供了快速迁移通道，降低了电子-空穴对的复合率。同时，内置电场和能带弯曲结构进一步促进了光生载流子的分离与迁移，显著提高了可见光驱动的光催化降解和产氢效率。
图14：能量级图，揭示了界面处的电荷转移机制。DOI：10.1016/j.jmst.2023.05.033
3、催化反应
电荷转移在催化反应中具有重要意义。在光催化反应中，如光解水制氢和光催化二氧化碳还原，电荷转移是实现高效光催化性能的关键。通过优化催化剂的电荷转移路径，可以提高光生载流子的利用效率，从而提高反应速率和选择性。
在电催化反应中，如电解水制氢和氧气还原反应，电荷转移是实现高效电催化性能的关键。通过设计高效的电催化剂，可以降低反应的过电位，提高反应速率。这些应用展示了电荷转移在催化领域的广泛影响和重要性。
例如，在Au/Co双单原子（DSA）催化剂中，光生电子从Au原子转移到Co原子，形成电子富集区，促进了CO2分子的吸附和活化。
这一过程显著提高了光催化CO2还原性能，Au/Co DSA负载的CdS在可见光下CO和CH4的产率分别比单独的CdS提高了约2800%和700%。
图15：催化领域电荷转移。DOI：10.1002/adma.202306923
该文件阐述了电荷转移的定义，包括局域与非局域类型，分析了化学反应、电化学、光诱导、离子化中的转移机制，介绍了光谱学、电化学测试等实验表征方法及理论计算方法，还提及在能源、环境、催化领域的应用。
未来可深化复杂体系研究，拓展原位表征技术，推动其在相关领域创新应用。
