说明：描述符通过量化催化剂的关键结构/电子特征，可实现对催化活性、选择性、稳定性的精准预测与调控。本文华算科技为大家详细介绍了吸附能、自由能、态密度、d带中心、COHP、电荷转移、功函数、火山图等8个常见的催化描述符。
一、吸附能（Adsorption Energy）
吸附能是描述反应物/产物分子在催化剂活性中心表面吸附强度的核心能量描述符，定义为分子吸附后与吸附前的能量差值，单位通常为eV。若吸附能为负值，表明吸附过程自发进行，绝对值越大，吸附作用越强。
催化反应的第一步是反应物分子在催化剂活性中心的吸附活化，吸附能直接决定了活化效率。如果吸附过弱，反应物分子会难以被活化，如果吸附过强，产物分子难以脱附，则会导致活性中心中毒。因此，吸附能是筛选活性中心的关键指标，需处于适中范围。
DOI: 10.1002/ange.202522410
二、自由能（Free Energy）
自由能（吉布斯自由能G）是表征反应自发趋势与能量壁垒的关键描述符，在催化研究中主要关注两个核心指标，一个是反应自由能变，反映反应的热力学可行性，第二个是自由能垒，反映反应的动力学难易程度（自由能垒越低，反应速率越快）。
通过计算反应路径中各中间体的自由能，可绘制自由能图。从图中可明确反应的速率控制步骤及对应的自由能垒，进而通过调控催化剂结构降低自由能垒，提升催化活性。
三、态密度（Density of States, DOS）
态密度是描述催化剂在特定能量范围内电子态数量的电子描述符，反映电子在不同能级上的分布规律，常用分波态密度（Partial Density of States, PDOS）分析特定原子或轨道的电子分布。
催化剂的活性本质是电子转移，而活性中心与反应物分子的相互作用依赖电子的供受。态密度可直观反映活性中心的电子能级分布，若活性中心的电子态分布在费米能级附近，电子易发生转移，催化活性通常较高。反之，电子态远离费米能级时，电子转移困难，活性较低。
DOI: 10.1016/j.esci.2021.12.007
四、d带中心（d-band Center）
d带中心是针对过渡金属催化剂（或含d轨道的活性中心）提出的核心电子描述符，定义为过渡金属d轨道的加权平均能量，通过PDOS积分计算获得，其数值与活性中心的电子云密度直接相关。
d带中心越靠近费米能级，活性中心的d电子越易与反应物分子的轨道发生重叠，吸附作用越强。反之，d带中心越远离费米能级，其吸附作用越弱。因此，通过调控d带中心的位置，可精准调控吸附强度，使催化剂处于吸附–脱附的最优状态。
DOI: 10.1016/j.ensm.2023.04.003
五、晶体轨道哈密顿布居（COHP）
CHOP是核心电子结构的描述符，它专门用于定量分析材料中原子轨道间的化学键合性质。该描述符突破了传统电子结构分析的局限，将哈密顿量矩阵元与化学键概念直接关联，实现对原子间相互作用的能量分辨和定量化表征。
CHOP的核心原理是通过哈密顿矩阵元分解，表征特定能量下电子态对指定原子对键合能的贡献。负的CHOP值表示该能量区间的电子态对原子间成键有贡献，电子占据此类态会降低体系总能量、增强键稳定性。正的CHOP值对应反键作用，会升高体系能量、削弱键强度，接近零则为非键态。
DOI: 10.3390/molecules27227720
实际应用中常采用其积分形式ICOHP（Integrated COHP），即费米能级以下COHP值的积分，ICOHP绝对值越大，表明原子对间成键作用越强，可直接用于键强度的定量排序。与传统轨道重叠布居相比，CHOP引入能量项，能更准确地反映化学键的能量贡献本质。
DOI: 10.1002/cphc.202300865
六、电荷转移（Charge Transfer）
电荷转移描述符可以量化催化剂活性中心与反应物/产物分子之间的电子转移量，通常用Δq表示，Δq＞0表示活性中心失去电子，Δq＜0表示获得电子，它反映了二者之间的静电相互作用强度。
活性中心通过给出或接受电子，可改变反应物分子的电子云密度，削弱特定化学键，从而降低反应活化能。电荷转移量的大小直接决定活化效率。当转移量过小时，反应物分子难以被活化。当转移量过大时，易形成稳定的副产物中间体，进而降低选择性。
DOI: 10.1038/s41467-023-38310-1
七、功函数（Work Function）
功函数（Φ）是表征催化剂表面电子逸出能力的核心电子描述符，定义为将催化剂表面费米能级处的电子激发至真空能级所需的最小能量，单位通常为eV。其数值大小与催化剂表面电子云密度直接相关。表面电子云密度越高，电子越易逸出，功函数越小，反之，功函数越大。
在电催化、光催化等涉及电子转移的反应中，功函数直接决定催化剂与反应物/电解质之间的电子转移壁垒。比如，在光催化中，当催化剂与助催化剂的功函数匹配时，光生电子可快速从低功函数材料转移至高功函数材料，以减少载流子复合。
DOI: 10.1002/slct.201904151
八、火山图（Volcano Plot）
火山图是整合“描述符–催化性能”关系的可视化工具，以某一核心描述符为横坐标，以催化性能为纵坐标，其曲线呈现“火山型”。
当描述符处于最优值时，其催化性能达到峰值（火山顶），偏离最优值时，性能显著下降。通过火山图，我们可快速定位最优描述符区间，筛选出性能最优的催化剂。
DOI: 10.1038/s41467–025–66043–w
总结
催化剂描述符是连接结构与性能的核心纽带，不同描述符各具侧重。单一反应的活性预测可优先选择吸附能、d带中心等简单描述符，化学键机制解析需借助CHOP、态密度等电子结构描述符，复杂反应的机理分析需结合自由能等能量描述符，高通量筛选则可通过火山图快速缩小研究范围。
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