说明：本文华算科技介绍了电荷转移的定义、分类、作用，重点说明了紫外可见吸收光谱、荧光光谱、红外光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱、瞬态吸收光谱、时间分辨荧光光谱、循环伏安法、交流阻抗法、计时电流法、计时电位法等表征方法。
什么是电荷转移？
电荷转移指电荷在电子、离子等微观载体或不同位点间的迁移与重新分布，发生范围涵盖分子内部、分子间、异相界面及宏观材料体系。从能量视角，其本质是粒子在不同能量态间的跃迁，伴随能量传递与转化；从结构视角，电荷转移会改变体系电子云分布，进而影响物质的化学键特性、电学极性与化学活性。
图1：异质结接触前后能带对齐与费米能级平衡会驱动界面电荷重新分布，并在界面形成内建电场。DOI：10.1038/s41467-025-65932-4
电荷转移有哪些类型？
根据电荷载体、发生范围、作用机制的差异，电荷转移可分为多种类型，不同类型的电荷转移在本质特征与表现形式上存在显著区别，具体分类如下：
按电荷载体分类
电子转移是最常见的电荷转移类型，指电子作为电荷载体在不同位点间的迁移，不伴随原子核的显著位移，仅涉及电子云的重新排布。电子转移的速率通常较快，受轨道重叠程度、能量级差等因素影响，广泛存在于氧化还原反应、半导体导电等过程中。
图2：混合离子–电子导体中，电子载流子与离子载流子可以在材料内部的不同相与不同方向同时传输。DOI：10.1038/s41467-025-57528-9
按发生范围分类
分子内电荷转移发生在同一分子内部的不同官能团或结构单元之间，依赖分子内部的化学键连接形成电荷迁移路径。这种转移会导致分子偶极矩的变化，进而影响分子的光学性质。
分子间电荷转移发生在两个或多个独立分子之间，通过分子间的相互作用实现电荷传递，包括范德华力、氢键、π-π堆积等弱相互作用，以及配位键、共价键等强相互作用。
图3：单体结构中，电荷转移主要发生在同一分子内部的不同片段之间（分子内 CT）；当分子形成二聚体/堆积体后，电荷转移可以跨越分子间界面发生（分子间 CT）。DOI：10.1038/s41467-024-46462-x
按作用机制分类
外层电子转移仅涉及电荷载体在反应物外层轨道之间的迁移，反应物的内壳层电子结构保持不变，电荷转移过程中不形成稳定的中间产物，反应速率主要受电子跃迁概率影响。
内层电子转移则伴随反应物内壳层电子结构的改变，可能形成短暂的中间络合物，电荷迁移与化学键的断裂、形成同步进行，反应速率不仅取决于电子跃迁，还受化学键重构的动力学因素制约。
图4：外层电子转移强调电子在反应物之间‘不经由稳定化学键桥联’的转移路径；内层电子转移则涉及更强的相互作用与可能的键合/配位中介，使电子转移与键的重构更紧密耦合。 DOI：10.1038/s41467-023-43300-4
如何表征电荷转移？
光谱法
紫外–可见吸收光谱
通过检测体系吸收光谱的变化表征电荷转移。电荷转移过程会形成特征的电荷转移吸收带，其峰位、强度与半峰宽可反映电荷转移的能量级差、转移程度及速率，是快速判断电荷转移发生的基础方法。
图5：UV–vis 漫反射/吸收谱用于比较不同样品的吸收边与可见光吸收强度变化，从而辅助判断电荷转移相关的能级/态密度调制趋势。DOI: 10.1038/s41467-025-57662-4
荧光光谱
依赖荧光信号的变化分析电荷转移。当电荷转移过程与荧光发射过程存在竞争关系时，电荷转移效率的提升会导致荧光猝灭，通过荧光强度、寿命的变化可定量计算电荷转移速率与效率，适用于动态跟踪电荷转移过程。
图6：稳态 PL 发射强度及谱形的变化常用于判断激发态电荷转移是否增强；当电荷转移与辐射复合竞争时，PL 往往出现猝灭或谱形变化。DOI: 10.1038/s41467-022-28409-2
红外光谱与拉曼光谱
通过检测化学键振动频率的变化反映电荷转移。电荷转移会改变化学键的电子云密度，进而影响键的力常数与振动频率，通过特征振动峰的位移、强度变化，可明确电荷转移对化学键结构的影响，揭示电荷转移的位点与机制。
图7：FT-IR 可通过关键官能团振动峰的位移与强度变化，反映电荷重新分布引起的键力常数变化，从而辅助定位电荷转移相关的结构位点。 DOI: 10.1038/s41467-022-28409-2
图8：拉曼谱中关键振动模式的峰位与线宽变化，常用于追踪局域键合环境与电子云分布的改变，从而为电荷转移/相互作用提供振动学证据。 DOI: 10.1038/s41467-025-55975-y
X射线光电子能谱
通过分析元素的结合能变化表征电荷转移。电荷转移会导致原子周围电子云密度改变，进而引起结合能的位移，通过对比不同状态下元素结合能的差异，可定量判断电荷转移的方向与数量，适用于界面电荷转移、分子间电荷转移的表征。
图9：XPS 通过元素核心能级结合能的可重复位移来反映界面/位点周围电子云密度变化，可用于判断电荷转移的方向并对相对变化幅度进行比较。DOI: 10.1038/s41467-024-49004-7
瞬态吸收光谱与时间分辨荧光光谱
具备纳秒至飞秒级的时间分辨率，可捕捉电荷转移的动态过程，跟踪电荷从激发态到稳定态的迁移路径，明确电荷转移的中间态、寿命及动力学参数，是研究快速电荷转移过程的核心技术。
图10：瞬态吸收谱以时间分辨方式给出激发态吸收/漂白信号的演化，可提取电荷转移相关中间态的生成与衰减时间常数，从而定量描述动力学。DOI: 10.1038/s41467-022-28409-2
电化学法
循环伏安法
通过扫描电压下的电流响应表征电荷转移。电荷转移过程伴随氧化还原反应的发生，会在特定电压区间出现氧化峰与还原峰，峰电流、峰电位及峰形的变化可反映电荷转移的速率、可逆性及反应机制，广泛应用于电解质体系、电极界面电荷转移的研究。
图11：CV 扫描下出现的氧化/还原峰反映电荷转移伴随的电化学过程；峰位、峰形与峰电流的变化可用于比较反应可逆性与动力学差异。 DOI: 10.1038/s41467-025-65614-1
交流阻抗法
通过测量体系的阻抗谱分析电荷转移。电荷转移过程会贡献特定的阻抗信号，通过拟合阻抗谱可获得电荷转移电阻、双电层电容等参数，定量评价电荷转移的难易程度，适用于界面电荷转移、离子导体中电荷转移的表征。
图12：EIS Nyquist 图中的高频半圆常与界面电荷转移阻抗相关；通过等效电路拟合可得到 Rct 等参数，用于定量比较不同电极/界面的电荷转移难易程度。DOI: 10.1038/s41467-018-05341-y
计时电流法与计时电位法
通过跟踪电流或电位随时间的变化，研究电荷转移的动力学过程，可获得电荷转移速率常数等关键参数，适用于慢反应过程中电荷转移的定量分析。
图13：计时电位/计时电流测试通过在恒电流或恒电位条件下记录随时间的电位/电流响应，用于评估电荷转移过程在长时间运行中的稳定性与衰减行为。DOI: 10.1038/s41467-018-05341-y
电荷转移有什么作用？
在电化学储能器件中，电荷转移贯穿充放电全过程。离子在电极与电解质之间的迁移、电子在电极内部的传导，共同决定器件的充放电速率、容量与循环稳定性。通过优化电极材料结构、电解质组成，调控电荷转移动力学，可实现储能器件性能的提升。
图14：低温会显著削弱电池界面的离子输运与电荷转移动力学。DOI：10.1038/s41467-023-40221-0
在光催化与电催化领域，电荷转移是催化反应发生的前提。催化活性位点与反应物之间的电荷转移可改变反应物的电子云结构，降低反应活化能，促进反应的发生。调控电荷转移的方向与效率，能够提升催化反应的活性、选择性与稳定性，助力能源转化过程的高效实现。
图15：金属–载体界面的电荷转移会重塑催化中心的电子结构并改变中间体吸附强度。DOI：10.1038/s41467-019-12851-w
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