诠释：态密度（DOS）是凝华态物理和材料科学中的中枢见识，形色单元能量区间内可用电子态的密度，是贯穿微不雅电子结构与宏不雅物性（如导电性、光学摄取、催化性能）的枢纽桥梁。

不同维度材料（1D、2D、3D）因色散联系不同，其态密度推崇出彰着互异。文中深入酌量了态密度在电催化限制的阁下，尤其在活性位点识别、电荷转化机制、残障与掺杂效应、以及机器学习高通量筛选中的价值。

计较方面，以密度泛函表面（DFT）为中枢，通过礼聘不同泛函、赝势、k点等参数精确构建材料DOS。通过Ga₆N₆纳米环的案例，文中华算科技展示了DOS分析在气体吸附与传感中的枢纽作用。态密度分析已成为材料联想与性能优化不行或缺的表面器具。

什么是态密度？

态密度（DOS）手脚凝华态物理和材料科学中的中枢见识，用于形色单元能量区间内单元体积的量子态数目，其数学抒发式为DOS (E)=dN/dE，其中N为能量小于E的量子态总和。

这一物理量通过揭示材料中电子能级的漫衍司法，奏凯关联电荷填充、电导率、光学响应等宏不雅性质，是贯穿微不雅电子结构与宏不雅材料性能的枢纽桥梁。

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DOI：hdl.handle.net/2345/2886

从数学界说来看，在一语气能带体系中，态密度通过动量空间的积分获取，即DOS (E)=(1/(2π)³)∫δ(E – ε(k)) dk，其中ε(k)为色散联系，形色能量与波矢k的联系；关于无序系统（如非晶材料），则需在热力学极限下通过估量料理求解，以幸免因结构无序导致的态密度波动。

态密度的特质具有权贵的维度依赖性：三维材料中，目田电子气模子呈现抛物线色散联系（ε(k) ∝ k²），对应的态密度随能量平时根增长，如金属铜的导带态密度在费米能级隔邻呈现平滑漫衍；二维材料（如石墨烯）因线性色散联系（ε(k) ∝ |k|），态密度在狄拉克点隔邻呈现V形特征（DOS (E) ∝ |E|），这种线性态密度使石墨烯具有高载流子迁徙率；一维体系（如碳纳米管）的态密度则推崇为DOS (E) ∝ 1/√(E – E₀)，在范霍夫奇点处出现发散，这种热烈的能态聚首使其在特定能量下推崇出权贵的光学摄取特质。

DOI：10.1007/s40766-023-00043-8

态密度的物理兴味体当今多个方面：费米能级（E_F）处的态密度奏凯决定电子热容和电导率，举例贵金属Pt因DOS较高，具有优异的导电性能；低维材料在带边的高态密度可增强光摄取和载流子分离后果，如二维MoS₂的价带顶态密度是体相材料的3倍，使其光催化活性权贵提高。

此外，态密度的漫衍特征（如峰值位置、宽度）还能反馈电子的局域化程度，宽而平的态密度标明电子离域性强，窄而尖的峰值则对应电子局域化。

综上，态密度通过量化电子能态的漫衍特征，为清楚材料的电学、光学和催化性能提供了不行或缺的表面器具。

DOI：10.1016/j.jallcom.2025.182547

态密度分析阁下

在电催化限制（如ORR、HER、CO₂RR）的顶刊酌量中，态密度分析手脚解析催化剂活性发祥的中枢妙技，通过揭示电子能级漫衍与反应性能的关联，为催化剂联想提供了原子级教导，其阁下主要聚焦于活性位点电子结构、电荷转化机制、残障与掺杂效应及高通量筛选四个所在。

活性位点电子结构解析中，d带中激情论是贯穿态密度与催化活性的蹙迫桥梁，过渡金属催化剂的活性与d带中心位置（ε_d）密切关联，而ε_d通过态密度积分计较。

酌量标明，d带中心向费米能级上移会增强反应物与催化剂的轨谈杂化，提高吸附强度，但可能因中间体脱附艰巨缩短反应速率，举例Pt₃Ni合金的d带中心比纯Pt低0.2 eV，松开了OH的吸附，使ORR过电位缩短0.15 V。

DOI：10.1021/acs.jpclett.6b02430

电荷转化机制的酌量中，费米能级处的态密度反馈催化剂的电荷注入才气，DOS越高，可参与反应的电子态越多，电荷转化阻力越小。

酌量表示，Fe-N-C催化剂中FeN₄活性位点的DOS是无Fe位点的5倍，权贵提高ORR能源学，半波电位达0.89 V vs. RHE；石墨烯基催化剂中，狄拉克点隔邻的线性态密度使O₂吸附能优化至-0.3 eV，幸免过强或过弱吸附，CO₂RR的CO礼聘性达90%。

残障与掺杂效应通过态密度的变化得到奏凯说明，N掺杂碳材料的态密度在费米能级隔邻出现彰着峰值，源于N原子引入的残障态电子，这些电子可与O₂的π轨谈作用，增强ORR活性；Co₃O₄/石墨烯界面的态密度偏移表示，Co的3d轨谈电子向石墨烯转化0.12 e⁻，这种电荷重漫衍使*OOH吸附能缩短0.2 eV，加快OER进度。

态密度生息参数手脚机器学习模子的输入，好意思满了催化剂的高通量筛选，举例基于10⁴种过渡金属氧化物的态密度数据磨真金不怕火的模子，可展望OER过电位，舛讹，从候选材料中快速识别出CoFe₂O₄等高效催化剂。

DOI：10.1021/acs.jpcc.4c06826

这些阁下案例共同标明，态密度分析不仅能诠释注解催化活性的发祥，更能为催化剂的理性联想提供可量化的形色符，鼓吹电催化酌量从警告探索向表面运行调遣。

态密度怎么算？

态密度（DOS）的计较以密度泛函表面（DFT）为中枢框架，通过合理礼聘计较参数、泛函与分析工夫，好意思满对电子能级漫衍的精确量化，其经由与树立奏凯影响终端的可靠性与物理兴味。

计较经由始于泛函类型的礼聘，不同泛函适用于不同体系：GGA-PBE泛函因均衡计较后果与精度，鄙俚用于金属、合金等催化体系的态密度计较，但其存在低估带隙的残障，如计较TiO₂的带隙时，PBE终端低于现实值。

GGA+U法子通过引入Hubbard U参数矫正强关联体系（如过渡金属氧化物NiO、Co₃O₄）中d电子的局域化效应，举例对Co₃O₄进行树立，可使Co的3d态密度峰值更机敏，准确反馈电子局域性。

杂化泛函（如HSE06）通过搀杂25%的精确交换能，权贵提高带隙计较精度，适用于半导体催化剂的态密度分析，但计较资本是PBE的5-10倍。

赝势法子的礼聘不异枢纽，投影缀加波（PAW）法子通过将电子分为芯区与价区，芯区用赝势形色，价区保留全电子特质，能精确措置价电子与芯电子的相互作用，在计较重元素的态密度时，PAW法子的精度权贵高于ultrasoft赝势。

参数树立需兼顾料理性与计较资本：k点网格用于布里渊区积分，二维材料推选≥5×5×1，三维材料需≥8×8×8，以确保态密度的平滑性，幸免因采样不及导致的伪悠扬；截断能（Cutoff）树立为500–600 eV，督察平面波基组截断舛讹影响能级漫衍；Smearing宽度采取0.05–0.2 eV的Gaussian展宽，均衡态密度的分辨率与计较贯通性；自洽场（SCF）料理依次需≤10⁻⁵ eV/atom，确保电子密度料理，使态密度计较舛讹。

DOI：10.3329/bjphy.v27i1.49725

枢纽分析工夫包括投影态密度（PDOS）与晶体轨谈哈密顿布居（COHP）：PDOS将总态密度理会为不同原子的s、p、d、f轨谈孝顺，可识别活性位点的枢纽轨谈，如Fe-N-C催化剂的PDOS表示，Fe的3d轨谈在费米能级隔邻有权贵孝顺，说明其为ORR活性中心；COHP通过分析键合态与反键态的占据数，量化轨谈相互作用强度，举例COHP计较标明，Pt与*H的σ键合态占据率达80%，诠释注解了适中的吸附能。

DOI：10.1103/PhysRevMaterials.6.040302

这些计较法子与分析工夫的协同阁下，使态密度从空洞的物理见识震荡为可操作的量化器具，为清楚催化机制与联想高效材料提供了坚实的数值救援。

Ga₆N₆纳米环DOS酌量

“Direct atomic-level insight into the active sites of a high-performance PGM-free ORR catalyst”使用了密度泛函表面（DFT）对Ga₆N₆纳米环的电子结构进行了深入酌量，尤其是通过态密度（DOS）的分析，酌量了不同气体分子与该纳米环之间的相互作用，尤其是其吸附性能。

酌量的中枢是揭示Ga₆N₆纳米环的电子结构特征，尽头是气体分子怎么通过电子转化和轨谈重迭与Ga₆N₆发生相互作用，从而蜕变其电学性质和吸附活动。

DOI：10.1038/s41598-025-06067-w

最初，酌量团队对Ga₆N₆纳米环的几何结构进行了优化，得到了一些基本的结构参数，如Ga-N键长为2.01 Å，Ga-N-Ga的键角为105.35°，这些数据标明Ga₆N₆具有较高的贯通性。

通过对该结构进行态密度分析，作家揭示了Ga₆N₆纳米环的电子结构。在该纳米环的最高占据分子轨谈（HOMO）中，主要由氮原子的2p轨谈孝顺，而最低未占据分子轨谈（LUMO）则主要由镓原子的4p轨谈孝顺。

证据这些分析，Ga₆N₆被归类为半导体，具有较小的能隙（约1.73 eV），这一特质使得Ga₆N₆在气体吸附过程中推崇出较好的电子响应性。

在气体吸附方面，作家计较了多种气体分子（如NO、NO₂、SO₂、CO、NH₃等）与Ga₆N₆纳米环的吸附能。

酌量终端表示，NO、NO₂和SO₂等气体推崇出较强的化学吸附活动，吸附能差异为-1.75 eV、-2.04 eV和-1.01 eV，而CO和NH₃的吸附能则相对较低，标明它们主要通过物理吸附与Ga₆N₆名义相互作用。

这些终端标明，Ga₆N₆对某些气体分子具有较强的吸附才气，尤其是关于NO、NO₂和SO₂等有毒气体的拿获才气。

通过投影态密度（PDOS）分析，酌量进一步揭示了气体分子对Ga₆N₆纳米环电子结构的影响。酌量标明，NO和NO₂的吸附会导致Ga₆N₆的Fermi能级下移，标明吸附过程波及较强的电子相互作用。

这一变化主如果由于气体分子和Ga₆N₆名义之间的轨谈重迭，尽头是在NO和NO₂吸附过程中，N原子的2p轨谈与Ga原子的4p轨谈之间的相互作用更为权贵。这种电子结构的变化有助于增强气体分子与Ga₆N₆之间的吸附作用。

另外，著作还通过Hirshfeld电荷分析酌量了气体吸附过程中电荷转化的情况。NO、NO₂和SO₂等气体分子吸附后，Ga₆N₆纳米环名义发生了权贵的电荷重漫衍，尤其是在NO和NO₂的吸附过程中，电荷转化征象愈加彰着。

这种电荷重漫衍通过产生有用的界面偶极子，进一步加强了吸附能量。这一过程标明，气体分子与Ga₆N₆纳米环之间的强电子相互作用是吸附过程的枢纽身分。

除了电荷转化，酌量还通过分析前沿分子轨谈（HOMO-LUMO）能级变化，进一步揭示了吸附气体对Ga₆N₆电子结构的影响。

尽头是在NO₂吸附时，HOMO-LUMO能隙的缩小标明，吸附气体增强了Ga₆N₆的导电性，使得电子更容易从价带跃迁到导带。这种变化反馈了气体分子与Ga₆N₆之间的热烈相互作用，进一步考证了吸附过程中的电子转化征象。

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从吸附能的计较终端来看，Ga₆N₆纳米环对不同气体的吸附性能推崇出了权贵互异。

NO、NO₂和SO₂的较强吸附能标明该材料在拿获有毒气体方面具有较好的阁下远景。尤其是在有毒气体的吸附过程中，Ga₆N₆不仅大略通过化学吸附有用捕捉气体分子，何况吸附过程还伴跟着电子结构的权贵变化，标明其具有较强的电子响应才气。

除了吸附能的计较，酌量还酌量了气体分子吸附后Ga₆N₆的规复时代（τ）。规复时代是气体传感器性能的蹙迫贪图，决定了气体的吸叹气脱附过程的速率。

酌量发现，CO和NH₃的规复时代较短，标明它们在Ga₆N₆名义的吸附是可逆的，而NO、NO₂和SO₂则表示出较长的规复时代，这标明这些气体的吸附具有较强的握久性。这一终端为Ga₆N₆纳米环在气体传感和去除阁下中的后劲提供了支握。

DOI：10.1038/s41598-025-06067-w

总的来说，Ga₆N₆纳米环在气体吸附、尤其是有毒气体的捕捉方面推崇出了极大的阁下后劲。通过态密度分析、电荷转化分析和吸附能的计较，酌量揭示了Ga₆N₆与气体分子之间的相互作用机制，尤其是其电子结构在吸附过程中的变化。

改日，Ga₆N₆纳米环有望在环境保护、气体传感良善体净化等限制阐发蹙迫作用。同期，酌量还指出了进一步优化Ga₆N₆的名义修饰、粒径截至以及与其他材料谄媚的法子，以提高其气体吸叹气传理性能。

回想

态密度（DOS）手脚贯穿电子结构与催化性能的中枢桥梁，在电催化酌量中阐发着不行替代的作用，其通过量化电子能级漫衍，为解析活性发祥、教导材料联想提供了原子级视角，同期在计较法子与阁下限制的翻新鼓吹下，阻挡拓展其表面深度与实用价值。

从表面兴味来看，DOS不仅能揭示活性位点的枢纽轨谈，还能通过d带中心、DOS等参数成立“电子结构–吸附能–反应活性”的关联。

在计较法子上，态密度的发展趋势聚焦于机器学习加快与原位动态模拟：机器学习通过索求DOS特征磨真金不怕火展望模子，将催化剂筛选后果提高1-2个数目级。

现时边临的挑战主要聚首在强关联体系的DOS计较，传统DFT难以准确形色d电子的强关联效应，导致态密度峰值位置偏差，需发展多体法子以提高精度。

通过深入清楚DOS的表面基础与顶刊阁下，酌量者可精确联想催化剂的电子结构——如通过掺杂调控d带中心、引入残障，好意思满对吸附能与反应能垒的定向优化。

改日，跟着计较法子的完善与原位表征工夫的杰出，DOS分析将在“催化剂基因工程”中阐发中枢作用，鼓吹能源震荡工夫从警告开辟迈向理性联想，为燃料电板、电解水等限制的高效催化剂开辟提供坚实的表面救援。

发布于：广东省