说明：本文华算科技通过电荷转移的定义与基本原理、机制、应用、表征方法以及理论计算方法介绍了什么是电荷转移。读者可系统性地学习到电荷转移的基本概念与在各领域中的应用。
一、电荷转移的定义与基本原理
定义
Donor即其本质是系统为降低总能量而发生的电荷重新分布。自发转移的电势差源于供体与受体自身的固有性质差异，如电子亲和能、电离能或氧化还原电位的不同，无需电场、光场等外部能量输入即可启动。
DOI: 10.1021/jacs.5c09275
2. 外场诱导
外场诱导转移的核心是外部场源提供额外能量，要么弥补自发转移所需的能级差，要么强制改变电荷的势能分布，从而打破无外场时的热力学平衡状态。
这类外场不仅包括电场、光场，还涵盖磁场、热场等。
电荷转移的发生需同时满足以下3个关键条件：
1. 电势差
电荷的移动方向严格遵循从高电势流向低电势，电势差越大，转移趋势越强电势差的本质是供体与受体间的电荷势能梯度，没有这一势能差，电荷只会无规则热运动，无法形成有效转移。此外，电势差不仅决定转移方向，还能影响转移的动力学过程，足够大的电势差可降低电荷跨越能垒的难度，加快转移速率。
DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.154741
2. 轨道能级匹配
供体的。这是电荷能克服壁垒进行转移的前提。
能级差的大小需处于合理范围，若供体HOMO与受体LUMO能级差过大，电子缺乏足够能量跨越能垒；若差值过小，转移后的电子易回迁至原轨道，引发电荷复合。
DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c10281
3. 电子耦合作用
，才能为电荷提供从供体到受体的转移通道。
重叠程度越高，电荷在两体系间的跃迁概率越大，转移速率也越快；若电子云几乎无重叠，即便满足电势差和能级匹配条件，电荷也难以完成有效传递。
其重叠效果会受供体与受体的空间距离、几何构型等因素影响。距离过远或构型错位，都会显著削弱电子云重叠程度，阻碍电荷转移通道的形成。
电荷转移的主要机制可分为：分子间电荷转移外层电子转移：，全程无直接的物理接触。由于不存在原子层面的直接结合，供体与受体的分子骨架和原有化学键结构始终保持完整，不会因电荷转移产生新的共价键、配位键等化学键。
外层电子转移过程具有良好的可逆性内层电子转移：，这个过程一般会伴随有配体结构变化。
配体的结构变化多表现为构型扭转、键长伸缩或电子云分布重排，这种变化并非随机发生，而是通过调整自身构象优化供体-受体间的电子耦合效率，降低电荷转移能垒，是电荷顺利跨越分子界面的重要辅助。
内层电子的转移速率通常显著高于外层转移DOI: 10.1021/jacs.7b07390
界面电荷转移
1.固-液界面
电荷转移过程发生在固体表面与溶液之间，转移效率主要受“双电层”影响。
双电层的厚度、电荷密度及离子组成会显著改变电荷转移的能垒此外，双电层的稳定性也至关重要，温度波动、电解质浓度变化或溶液pH值改变都可能破坏其结构，导致电荷转移效率波动。在电化学催化、电池电极反应等实际应用中，通过修饰固体表面、优化电解质体系等方式调控双电层结构，是提升固-液界面电荷转移效率的关键手段。
DOI: 10.1038/s41467-025-57082-4
2.固-固界面
固-固界面：或电子性质的固体材料组成，电荷需跨越两种材料的界面完成转移，界面的结合状态至关重要，晶格匹配良好可减少界面电荷复合位点，而缺陷过多会阻碍电荷传递，甚至导致电荷滞留。
金属内部的电荷转移以电子为主要载体，这些电子脱离原子束缚后形成“电子气”，在金属阳离子构成的晶格间隙中可无阻碍地自由运动，。
、绝缘体等材料，且电子的动态流动会即时抵消局部电荷富集，因此不会出现电荷积累现象。
在半导体中，电荷载体的表现形式为“电子–空穴对”，电子的转移需克服禁带宽度（。
核心原理：利用X射线激发样品表面原子的内层电子，通过探测光电子的动能推算元素结合能，其峰位偏移直接反映原子的电荷状态变化。
DOI: 10.1002/ange.202200872
2.瞬态吸收光谱（TA）
凭借飞秒至毫秒级的超高时间分辨率，瞬态吸收光谱能。吸收信号的变化源于不同电荷物种的特征吸收差异，信号的出现对应电荷生成，峰形偏移反映电荷转移，强度衰减则关联电荷复合。
，精准评估电荷分离与输运效率的优劣。
DOI: 10.1063/5.0008537
3.电化学阻抗谱（EIS）
过施加不同频率的交流电，测定阻抗谱（Nyquist图中高频区半圆对应R，半圆直径越小，R越小，电荷转移则越快同时，除高频区RSEI外，低频区W的斜线还可关联离子迁移阻抗，实现对多过程的同步表征。
DOI: 10.33961/jecst.2019.00528
4.四维扫描透射电子显微镜技术（4D STEM）
通过测量入射电子束通过材料后的质心偏移，可以高精度地计算出材料每个扫描位置的电磁场，再对该数据进行积分即可得到材料的静电势。
当两个组分接近时，电子会因电负性差异、轨道杂化或静电作用发生迁移。
电子聚集区域表现为负电荷富集、流失区域表现为正电荷缺失Bader电荷则可进行定量分析，基于电荷拓扑学原理，通过划分原子的电荷布居范围，可，实现电荷转移量的定量表征。
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。。
电荷转移是实现光能向电能转化的核心步骤，其效率直接决定电池的光电转换性能。
提高电池充放电速率的关键因素是提高离子电荷转移的转移效率。离子电荷转移阻力越小，电池快充性能越优异。
DOI: 10.1002/ange.202214828
信息领域
1. 有机电致发光器件（OLED）
DOI: 10.1016/j.cplett.2019.136696
2. 场效应晶体管（FET）
电荷转移速率直接影响晶体管的开关速度，速率越快，器件的集成度越高、功耗越低。
DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02293
催化领域
1.光催化
常见的调控手段包括构建异质结、引入表面缺陷或负载助催化剂，这些方式可优化能级匹配或强化电子耦合，引导电荷定向转移并抑制复合。
电极表面的电荷转移能够直接决定电催化反应的活性与稳定性。借助电化学阻抗谱、循环伏安法等技术解析电荷转移过程，可针对性地优化电催化剂的性能，提升电催化反应的效率和耐久性。
电荷转移是电子从供体到受体的能量驱动过程，需存在电势差、轨道能级匹配与轨道电子耦合等才能发生。电荷转移的核心机制分为分子间、界面及体内三类，可通过实验表征与理论计算进行分析。其应用涵盖光伏、能源、催化等众多领域，是相关领域研究者必须熟悉的核心基础理论与关键技术。