说明：电荷转移是调控能量转换、信号响应的核心过程。本文将从电荷转移的基础定义出发，系统梳理其核心原理、分类、重要性和多种分析方法。
阅读本文，读者可了解电荷转移的定义、本质、分类、重要性及其表征与分析方法，获得对电荷转移的基本认识。
电荷转移是指电子从一个分子或材料（给体，Donor）转移到另一个（受体，Acceptor）的过程。
这个过程广泛存在于光物理、光化学、光伏、光催化等领域，是能量转换与存储的核心机制之一。
电荷转移。DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c10171
电荷转移的本质是载流子在能量梯度或浓度梯度驱动下的定向迁移。根据转移场景与驱动力的差异，电荷转移可分为两大核心类型：
1. 分子内电荷转移（Intramolecular CT）：发生在单个分子内部，通常由分子内电子云分布不均引起。
这类转移的范围局限于分子尺度，速率极快（通常在飞秒至皮秒量级），常见于有机半导体材料的光物理过程中。
2. 界面电荷转移（Interfacial CT）：发生在两种不同物质的界面处，是光电子器件（如太阳能电池、光电二极管）中能量转换的关键步骤。
其核心是光生载流子（电子 – 空穴对）在异质结界面的分离：以 “给体 – 受体”（D-A）体系为例，光激发后给体产生的电子会转移至受体的低能态，空穴则留在给体中，形成长寿命的电荷分离态。
在材料科学中，这种界面电荷转移不仅影响材料的导电性，还可能引发原电池效应。
三维石墨烯网格/铜复合材料的制备过程示意图。DOI: 10.1039/C7NR03152A
电荷转移的发生并非随机，需满足严格的能量条件与动力学规律，其核心可通过以下公式与原理量化描述。
电荷转移的速率由载流子在界面的跃迁概率决定，最经典的理论模型是马库斯理论（Marcus Theory），其核心公式为：
kCT：电荷转移速率常数（单位：s⁻¹），直接反映转移快慢；|HDA|：给体与受体间的电子耦合矩阵元，与界面距离成反比 —— 界面越近（如 SWCNTs 与 PFO-BPy 的紧密包裹结构），|HDA | 越大，kCT 越快；λ：重组能（Reorganization Energy），反映电荷转移过程中分子构型调整的能量损耗，聚合物的柔性链结构可降低 λ，提升 kCT；ΔG：电荷转移的吉布斯自由能变（前文已定义）；kBT：热运动能量（室温下约为 25.6 meV）。
马库斯理论的主要观点是：当 ΔG 的绝对值与 λ 相等时（ΔG = -λ），电荷转移速率达到最大值（“马库斯反转区”）。
这一规律为器件设计提供了指导 —— 通过调控给体 – 受体的能级差（ΔG）与重组能（λ），可实现电荷转移速率的最优化。
电荷转移并非稳态，分离后的电荷仍可能通过电荷复合（Charge Recombination, CR） 回到基态，导致能量损耗。
kCS：电荷分离速率；krec：电荷复合速率；krad：辐射复合速率。
电荷转移的效率与动力学特性，直接决定了光电子器件的能量转换效率和响应速度，其重要性体现在三大关键领域：
在有机太阳能电池或钙钛矿太阳能电池中，光吸收层产生的光生激子需通过界面电荷转移实现 “电子 – 空穴分离”。
若转移效率低，激子会通过复合耗散能量，导致器件短路电流下降；若转移速率过慢，载流子在分离前已湮灭，会进一步降低填充因子。
有机体异质结太阳能电池中的光生载流子产生和复合过程。
光电探测器的核心功能是将光信号转化为电信号，而这一过程依赖于光生载流子的快速转移与收集。
电荷转移速率越快，探测器的响应时间越短（可从纳秒级提升至皮秒级）；电荷转移效率越高，探测器对弱光信号的灵敏度越高。
在光催化分解水、CO₂还原等过程中，电荷转移决定了光生载流子向催化剂表面活性位点的迁移效率。
若载流子在转移过程中复合，会导致催化活性下降；若能通过界面工程促进电荷转移，可显著提升催化反应速率。
要准确表征和分析电荷转移的存在、速率与效率，需结合多种时间分辨、空间分辨的表征技术，构建 “从宏观到微观” 的分析体系。
飞秒瞬态吸收光谱可直接测量电荷分离、复合的时间尺度。
通过超短脉冲（飞秒级）激发样品，再用宽谱探测光记录样品在不同延迟时间的吸收变化（ΔA），不同物种（激子、极化子、三重态）会呈现特征吸收峰，从而追踪其动态演化。
研究人员通过分析 E₀₀→E₁₁漂白峰的动态蓝移（下图），量化了电荷分离的时间。
DOI：10.1021/acs.jpcc.0c10171
稳态光谱虽无法直接追踪动力学，但可通过特征光谱变化间接证明电荷转移的存在。
吸收光谱（UV-Vis-NIR Absorption Spectroscopy）的关键特征是电荷转移会导致给体 / 受体的特征吸收峰发生变化。
研究人员通过化学氧化掺杂（NOBF₄）制备 SWCNTs 空穴极化子，发现出现宽吸收峰，这一特征与 fs-TA 中观察到的电荷转移产物完全一致，为极化子的归属提供了直接证据。
DOI：10.1021/acs.jpcc.0c10171
通过施加外加电压调控样品的电荷态，同时记录吸收光谱变化 —— 若电压变化导致与电荷转移相关的吸收峰（如极化子峰）出现，可直接证明载流子的迁移能力。
研究人员通过 CHI 660D 电化学工作站调控 ITO 电极电压，观察到 PFO-BPy 出现极化子吸收峰，证明其作为受体可有效接受电子，进一步验证了 “SWCNTs→PFO-BPy” 的电子转移方向。
ORR体系的原位增强红外光谱DOI：10.1002/sstr.202200201
电荷转移的效率与给体 – 受体的界面接触紧密相关，结构表征可揭示界面形貌、相互作用强度。
TEM能够直接观察给体与受体的界面接触状态，例如 SWCNTs 是否被 PFO-BPy 均匀包裹、是否存在团聚。
若包裹均匀（如 PFO-BPy 通过剪切混合紧密包裹SWCNTs），界面距离可缩小至 1-2 nm，显著提升电子耦合强度 | HDA|，加速电荷转移。
XPS是通过探测材料表面光电子的结合能，确定元素化学态与电荷分布的表征技术。
XPS能够分析界面元素的化学态变化。因为电荷转移会导致元素的结合能偏移（如 PFO-BPy 中的 N 原子接受电子后，N 1s 结合能会降低 0.5-1 eV），通过结合能偏移可量化电荷转移的程度。
DOI：10.1038/s41467-025-58648-y
XANES是通过探测 X 射线吸收边附近的能量跃迁，分析元素局部配位环境与电子结构的技术。对 N 元素而言，K 边 XANES 峰位（如吡啶 N 的 1s→π* 跃迁峰在 398.5 eV，吡咯 N 在 400.1 eV）可区分 N 的化学态。
DOI：10.1016/j.cej.2024.155005
塔菲尔分析是通过绘制电流密度对数（log j）与电极电势（E）的线性关系（Tafel 图），提取塔菲尔斜率（b）与交换电流密度（j₀），量化电催化反应中电荷转移动力学的核心方法。
在 N⁺-GCC 催化 ORR 研究中，Tafel 分析用于揭示电荷转移的速率限制步骤（RLS）。在高过电势区，Tafel 斜率升至≈120 mV/decade，表明反应转为 “速率限制内球电子转移”（如 O₂与活性位点的协同电吸附）。
DOI: 10.1021/acscatal.7b03086
拉曼光谱与 PL 光谱在电荷转移研究中具有 “互补性”：前者反映电荷转移引发的静态结构变化（键力常数、电荷密度），后者反映动态过程（激子寿命、分离效率），两者结合可构建从 “结构 – 能量 – 动力学” 的完整证据链。
拉曼光谱表明，石墨烯与硝基苯之间存在电荷转移，这种电荷转移会显著提高分子掺杂石墨烯的ORR催化活性。
硝基苯分子掺杂石墨烯的电荷转移过程。DOI: 10.1021/acscatal.7b03086
量子化学计算通过构建分子 / 材料的电子结构模型，可从原子层面量化电荷分布、转移能垒与动力学速率，为实验现象提供本质解释。
不同电荷转移场景的结构复杂性差异极大，需选择适配的量子化学方法。
适用于有机小分子、共轭聚合物链、分子 – 纳米颗粒复合物（如 SWCNTs – 小分子受体）等非周期性体系，密度泛函理论（DFT）是目前应用最广泛的电荷转移计算手段。
DFT 通过将复杂的多电子问题转化为单电子密度的函数，可高效计算分子 / 分子簇的基态电子结构，是分析电荷转移 “能量可行性” 的基础工具。
研究人员通过计算静电势（ESP）、自然键轨道（NBO）电荷、Mulliken 电荷，确定给体（D）的富电子位点与受体（A）的缺电子位点。
例如 SWCNTs-PFO-BPy 体系中，DFT 可量化 SWCNTs 的导带电荷密度与 PFO-BPy 中联吡啶单元的 LUMO 电荷分布，明确电子从 SWCNTs 向 PFO-BPy 联吡啶单元转移的位点。
DOI：10.1016/j.cej.2024.155005
上述方法主要解决 “电荷能否转移”（能量可行性），而动力学模拟可回答 “电荷转移有多快”（速率）与 “如何转移”（路径），核心方法如非绝热分子动力学（NAMD） 。
NAMD 结合量子力学（QM，描述电子结构）与分子力学（MM，描述核运动），可实时模拟激发态下电子与核的动态耦合过程，直接观察电荷转移的时间演化：
研究人员通过追踪电子密度的变化，确定电荷从给体转移到受体的时间，如 SWCNTs→PFO-BPy 的电荷分离时间 τCS≈0.9 ps），与实验的 fs-TA 结果对比。
本文源自微信公众号：材料有干货
原文标题：《什么是电荷转移？》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/TIdDhhL1y-TcDhzZqSEd5w
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