说明：本文华算科技以电荷转移（Charge Transfer， CT）为核心论题，系统阐述其量子力学本质、核动力学耦合、界面与超快动力学机制，并综合评述飞秒瞬态光谱、DFT计算及同步辐射结构解析等多维研究方法；进而剖析CT在有机半导体、光伏异质结、生物能量转换及电催化中的决定性作用。
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。在分子系统中，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。
电荷转移可以分为两种主要类型：局域电荷转移和非局域电荷转移。局域电荷转移通常发生在相邻原子之间，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
根据电荷转移的机制和环境的不同，可以将其分为以下几种类型：
直接电荷转移：电子直接从供体转移到受体，而不需要经过中间态或中间体。
间接电荷转移：电子通过中间态或中间体进行转移，例如在金属/半导体界面中，电子可能先转移到局部表面等离子体（LSP），然后再转移到受体。
分子内电荷转移：电子在同一个分子内部的不同部分之间转移，例如，在碳基电催化剂中，分子内电荷转移效应是指包括杂原子掺杂缺陷/空位工程和单个金属原子配位在内的面内电荷转移。
图2. 通过理论计算得到氮掺杂碳纳米管的电荷密度重新分布。DOI: 10.1126/science.1168049
分子间电荷转移：电子在不同分子之间转移，碳材料中典型的分子间电荷转移包括表面分子功能化和异质结（复合）。具有带正电荷的氮部分的碳链可以通过分子间电荷转移在不含氮的CNT碳原子上产生净正电荷网络。
通过XPS测量，与功能化PDDA相比，纯PDDA中的带电氮和N+的含量证实了PDDA与CNT之间的电荷转移。
图3. PDDA修饰的CNT中的电荷转移过程的说明。DOI: 10.1021/ja200447r
超快电荷转移：在飞秒量级的时间尺度内发生的电荷转移，通常由多电子叠加态引起，具有更快的迁移速度和更复杂的动力学行为
量子力学机制
电荷转移本质上是一个量子力学过程。在分子系统中，电子的转移依赖于分子轨道之间的重叠。例如，在苯分子中，电子可以在不同的π轨道之间跃迁，形成离域的电子结构。这种离域现象使得电子能够在多个原子之间快速转移，从而实现超快电荷迁移（Charge Migration）。
核运动的影响
在电荷转移过程中，原子核的运动也起着重要作用。在某些情况下，原子核的振动可以调制电子的跃迁概率，甚至导致电荷转移的“复相干”现象，即电荷在多个路径之间来回振荡。这种现象在阿秒时间尺度上尤为明显，表明电荷转移不仅是一个纯电子过程，还涉及核动力学。
界面电荷转移
在材料科学中，界面电荷转移是一个关键问题。例如，在石墨烯与金属或半导体的接触界面，电子可以通过范德华力重新分布，从而改变材料的电学性能。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，如铜表面在石墨烯覆盖下的氧化现象。
图4. 三维石墨烯网格/铜复合材料的制备过程示意图。DOI: 10.1039/C7NR03152A
光激发下的电荷转移
在光化学过程中，电荷转移通常由光子激发引发。例如，在光敏药物中，紫外光照射后，电子从分子的基态跃迁到激发态，随后通过电荷转移过程转移到其他分子，从而引发一系列化学反应。这种电荷转移过程在光动力治疗中具有重要意义，因为它决定了药物的光敏性和光毒性。
在有机半导体材料中，电荷转移是决定材料导电性和光电性能的关键因素。电荷转移是研究有机半导体材料导电、光电导和发光过程的核心问题之一。通过调控电荷转移速率，可以优化材料的性能，从而应用于有机太阳能电池、有机发光二极管（OLED）等器件。
光伏与光催化
在光伏材料中，电荷转移是实现光能转化为电能的关键步骤。在钙钛矿太阳能电池中，光生电子从钙钛矿层转移到导电层，形成电流。此外，在光催化系统中，电荷转移过程决定了光催化剂的活性，如二氧化钛在紫外光下的光解水反应。
图5. 质子耦合电子转移（PCET）示意图。
电化学与电催化
在电化学系统中，电荷转移可以通过电极上的反应来研究。在神经电极材料中，电荷转移包括电子电荷转移和离子电荷转移，以及两者协同作用的电荷转移过程。通过电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）等技术，可以研究电极材料的电荷转移特性。
图6. 神经电极材料电荷转移机制示意图：(i)电子介导的电荷转移，(ii)离子介导的电荷转移，(iii)电子与离子协同作用下的电荷转移。DOI: 10.1039/d1nr07226a
图7展示了电荷转移的基本过程，包括电子从供体转移到受体的路径。图中使用了不同的颜色和箭头来表示电子的转移方向和能量变化。
图7. 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。
图8展示了电荷转移的网络模型，其中包含多个状态节点和转移概率。通过这种模型，可以分析电荷在不同状态之间的转移路径和速率。
图8. 四个子组的一般电荷转移问题（左）以及一个更简单的表述（右）。DOI: 10.48550/arXiv.2106.01215
飞秒瞬态吸收光谱是一种研究电荷转移动力学的重要工具。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。
二氯甲烷溶液中，MnIII（TPP）Cl的飞秒瞬态吸收经SVD–GLF全局拟合后的结果示于下图，并给出了关键波长处的动力学曲线。400 nm激光脉冲将其由基态5S0直接激发至5S2态；所得首个瞬态物种M1可明确归属为5S2。
该态呈现两条宽而无精细结构的吸收带，分别位于420–458 nm与485–700 nm，与文献报道的卟啉S2态光谱特征高度一致。
图9. MnIII（TPP）Cl（20 μmol/L）在DCM中采用SVD-GLF分析的飞秒瞬态吸收光谱（a）和动力学曲线（b）及特征波长处的动力学曲线（c）（蓝色点线，稳态光谱；A1，A2和A3，多指数拟合的振幅数据；实验曲线；灰色；拟合曲线，红色）。DOI: 10.6023/A23010017
量子化学计算方法可以用于模拟电荷转移过程。通过密度泛函理论（DFT）和多体微扰理论（MBPT），可以计算电子在不同分子轨道之间的跃迁概率，从而预测电荷转移的路径和速率。此外，量子化学计算还可以用于研究电荷转移对材料性能的影响，如在石墨烯-二硫化钼异质结中，电荷转移导致的狄拉克点位移。
图10：无序有机固体中的电荷输运模拟研究。
中子散射和X射线衍射技术可以用于研究电荷转移的结构变化。在低能离子散射实验中，通过测量Na+离子在Al（111）表面的中性化份额，可以推断电荷转移的机制。此外，X射线衍射可以用于研究材料中的缺陷结构，如辐照后的HOPG表面出现的空位缺陷，这些缺陷可能影响电荷转移的效率。
拉曼光谱和光致发光谱是研究电荷转移的重要手段。
研究人员开发了硝基苯官能化的石墨烯作为高效的ORR电催化剂，并且通过共价C = C键用硝基苯（强电子接受能力）官能化的石墨烯将从碳原子中吸引电子并改变石墨烯的电子结构。
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。此外，光致发光谱可以用于研究电荷转移对材料发光性能的影响，如在石墨烯-二硫化钼异质结中，电荷转移导致的发光峰位移。
图12. 硝基苯分子掺杂石墨烯的电荷转移过程。DOI: 10.1021/acscatal.7b03086
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