第一作者：贺红斌，任宇奇，兰盛楠

通讯作者：李乃旭教授

通讯单位：东南大学

论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125623

光热催化通过光激发和热活化的耦合来提高能量转化，但在时空解耦和多尺度输运机制方面仍然存在挑战。本文综述了光热耦合机制与跨尺度催化体系（单原子、亚纳米团簇和纳米颗粒）的能量/质量传递之间的定量关系，系统地建立了“能带结构调节-局部场工程热力学匹配”跨尺度材料设计框架。此外，通过多尺度表征和理论建模，对跨尺度催化体系的机理进行了全面分析。原位同步辐射与超快光谱相结合，揭示了光热耦合场下单原子活性位的动态配位重构。同时，密度泛函理论（DFT）与有限元多物理场模拟相结合，量化了团簇量子尺寸效应与光热转换效率之间的关系。机器学习驱动的高通量筛选进一步推进了甲烷重整和水分解等工业应用的跨尺度催化剂设计原则。该分析的核心是原子位置的电子-声子耦合特性，亚纳米团簇中量子约束促进的热载流子注入，以及纳米粒子等离子体效应和宏观热梯度之间的协同相互作用。本文综述了光热协同催化机理，为高效太阳能转化建立了统一的理论框架和可扩展的工程策略，促进了实际应用。

1. 本文综述了多尺度催化系统（从单原子、亚纳米团簇到纳米颗粒）中光热耦合机制与能量/质量传递之间的定量相关性。

2. 本文总结了从单原子、亚纳米团簇到纳米颗粒的多尺度催化体系的合成策略，并建立了以“带结构调节-局部场工程-热力学匹配”为特征的跨尺度材料设计框架。

3. 本文通过多尺度表征和理论建模，系统分析了单原子活性位点的动态配位重构、团簇中的量子尺寸效应和纳米颗粒中的光热效应。

4. 本文对单原子位点的电子-声子耦合特性、亚纳米团簇中提高热载流子注入效率的量子约束效应以及纳米粒子局部表面等离子体共振（LSPR）与宏观热场分布机制之间的协同作用进行了深入研究。

5. 本综述提出了整合机器学习辅助的高通量筛选来建立工业反应的跨尺度催化剂设计指南，如甲烷重整和水分解。

图1.光热协同催化体系的跨尺度构建：从单原子、团簇到纳米颗粒的机制解析与能源转化应用。 

图2.（a）1L-MoS₂间距Ag NCOM的几何示意图，将SERS探针与局部电场对齐，通过激发和收集方向最大化SERS增强。（b）负载在大孔Ti₃C₂Tx内的纳米颗粒作为选择性Janus光热催化催化剂设计的示意图和催化剂光热催化性能。（c）地球温室效应示意图和Ni@p-SiO₂-30纳米尺度温室效应示意图。（d）催化剂光热催化性能和PTPC膜的界面氧化还原反应机制。（e）负载W-Cu簇的光催化级联纳米反应器示意图和样品的CO、CH₄产量。 

图3.（a）聚光辐照下NF@0.1%Ni@CeO₂-Vo CO₂还原机理示意图和镍配位环境对光热催化性能的影响。（b）Cu₁/TiO₂单原子催化剂上的水催化PDH机制和催化剂光热催化性能。（c）光热催化机制和催化性能。（d）催化剂光热催化性能。（e）催化剂结构表征和对应的光热催化性能。（f）光热转换和光热催化性能。

图4.（a）浸渍-还原法合成单原子催化剂和催化性能。（b）阳离子交换法合成单原子催化剂。（c）共沉淀法合成单原子催化剂和球差电镜图。（d）MOFs衍生法合成单原子催化剂。（e）聚合物前驱体法合成单原子催化剂。（f）生物质模板法合成单原子催化剂。

图5.（a）原子层沉积法合成单原子催化剂。（b）电化学沉积法合成单原子催化剂。（c）等离子体缺陷激活法合成单原子催化剂。（d）机械球磨法合成单原子催化剂。（e）微波辅助法合成单原子催化剂。（f）光化学还原法合成单原子催化剂。

图6.（a）单原子光热催化剂的合成及催化性能。（b）单原子光热催化剂的合成及催化性能。（c）单原子催化剂配位环境调控和光热转换性能。（d）单原子催化剂在光热CO₂还原领域的应用。（e）单原子催化剂在甲烷转化领域的应用。（f）单原子催化剂在抑制积碳方面的应用。

图7.（a）化学还原法法（强还原剂）合成纳米团簇催化剂。（b）化学还原法（弱还原剂）合成纳米团簇催化剂。（c）模板法（硬模板法）合成纳米团簇催化剂。（d）模板法（软模板法）合成纳米团簇催化剂。（e）水热/溶剂热法（溶剂效应）合成纳米团簇催化剂。（f）水热/溶剂热法（封端剂策略）合成纳米团簇催化剂。

图8.（a）团簇催化剂的量子限域效应。（b）团簇催化剂的热传递机制。（c）团簇催化剂在太阳能水裂解领域的应用。（d）团簇催化剂在光热CO₂还原领域的应用。（e）团簇催化剂在生物质领域的应用。

图9.（a）核壳结构纳米颗粒催化剂。（b）异质结结构纳米颗粒催化剂。（c）等离子体纳米颗粒催化剂。（d）多孔结构纳米颗粒催化剂。 

图10.（a）针对光热纳米反应器的温度场调控。（b）热响应型相变材料的热管理系统。（c）纳米颗粒催化剂在太阳能驱动甲烷干重整领域的应用。（d）纳米颗粒催化剂在工业废水深度净化领域的应用。（e）纳米颗粒催化剂在光热CO₂还原领域的应用。

图11.（a）单原子-团簇催化剂的跨尺度构建。（b）单原子-纳米颗粒催化剂的跨尺度构建。（c）团簇-纳米颗粒催化剂的跨尺度构建。（d）单原子-团簇-纳米颗粒催化剂的跨尺度构建。

图12.（a）金属-有机框架（MOFs）诱导单原子-团簇催化剂的跨尺度构建。（b）介孔二氧化硅/碳材料诱导单原子-纳米颗粒催化剂的跨尺度构建。（c）ALD逐层精准调控单原子-团簇催化剂的跨尺度构建。（d）MLD逐层精准调控单原子-团簇催化剂的跨尺度构建。

图13.（a）光响应体系的跨尺度构建。（b）温敏体系的跨尺度构建。（c）电场诱导体系的跨尺度构建。（d）磁场诱导体系的跨尺度构建。

图14.（a）单原子动态行为解析。（b）纳米团簇动态行为解析。（c）纳米颗粒动态行为解析。（d）界面电荷传递效率机制解析。

图15.（a）密度泛函理论计算预测解析单原子/团簇/纳米颗粒催化剂。（b）有限元分析（FEA）预测解析单原子/团簇/纳米颗粒催化剂。（c）分子动力学（MD）模拟预测解析单原子/团簇/纳米颗粒催化剂。（d）机器学习预测解析单原子/团簇/纳米颗粒催化剂。

图16.（a）通过有限元模拟与温度场成像协同解析单原子/团簇/纳米颗粒催化剂。（b）通过集成相位敏感型太赫兹时域光谱高分辨载流子成像技术与多物理场耦合模拟解析单原子/团簇/纳米颗粒催化剂。（c）整合机器学习势函数（MLIP）加速的分子动力学模拟解析单原子/团簇/纳米颗粒催化剂。

图17.（a）通过催化剂的跨尺度构建调控光热催化稳定性。（b）通过跨尺度催化剂的抗结焦能力调控光热催化稳定性。

图18.（a）单原子催化剂与载体的强相互作用促进光热催化性能。（b）单原子-金属团簇/纳米颗粒的尺寸效应促进光热催化性能。（c）单原子-金属团簇/纳米颗粒的尺寸效应促进光热催化性能。（d）宏观结构的热管理设计可显著放大纳米尺度活性位点的性能。

图19.（a）单原子/团簇/纳米颗粒跨尺度催化剂在光热催化CO₂还原领域的应用。（b）单原子/团簇/纳米颗粒跨尺度催化剂在光热催化水分解制氢领域的应用。（c）单原子/团簇/纳米颗粒跨尺度催化剂在光热催化丙烷脱氢领域的应用。（d）单原子/团簇/纳米颗粒跨尺度催化剂在光热催化甲烷干重整领域的应用。

当前光热协同催化体系面临的核心挑战在于多尺度能量传递途径的协同优化和动态匹配。从原子级电子结构精密调控到宏观光热场工程集成，未来的研究必须超越传统的单尺度设计局限，建立跨尺度能量物质转移理论框架和技术途径，实现光热化学能的高效定向转换。在原子尺度上，精确调制电子态密度是优化光吸收和载流子迁移的基础。通过单原子的配位微环境设计，可以定向调整局域电子轨道的杂化模式和能量分布，突破传统材料的光谱响应限制。动态配位重构机制的引入有效地协调了光激发和热驱动过程之间的能量匹配，为抑制载流子复合提供了新的物理机制。这种原子级调控策略还可以通过金属支撑电荷振荡效应增强表面反应中间体的活化能力，实现光热催化中电子转移与化学键重组的深度耦合。在介观尺度上，界面工程和能量传递通道设计是解决光热路径失配的关键。构建梯度能带结构可产生定向内置电场，驱动光生成的载流子到特定的反应位点，同时通过热载流子注入机制实现协同光热能量增益。层次化纳米结构的空间布局优化调节了局部电磁场增强和热流分布特性，抑制了非辐射能量耗散，提高了光热转换效率。亚纳米级界面工程可以克服传统的肖特基势垒对载流子迁移的限制，实现跨界面的量子隧道效应。在宏观尺度上，光热场和反应器设计的时空协调是可扩展应用的核心。多物理场耦合模型优化光强梯度分布和温度场匹配关系，建立动态平衡的光热转换系统。先进的制造技术可以实现分层多孔结构，其空间异质性同时调节光穿透深度，热传导效率和质量传递动力学。数据驱动的方法加速了材料筛选和反应器拓扑优化，促进了实验室到工业的转换。未来的突破应集中在三个前沿：一是发展跨尺度的原位表征技术，揭示原子/电子水平的动态演化机制；第二，探索量子效应与宏观热输运之间的临界尺度相关性，建立通用能量传递模型；第三，创建生物启发的多场耦合系统，以协调调节光、热、电、磁。通过理论计算、材料合成和工程设计的深度融合，光热协同催化系统可以超越现有的能量转换效率限制，为可持续能源技术提供颠覆性的解决方案。

贺红斌，现为东南大学化学化工学院博士研究生，研究方向为连续流非均相催化CO₂资源化转化与利用。在ACS Catalysis, Applied Catalysis B: Environment and Energy, Small, Chemical Engineering Journal, Journal of Colloid and Interface Science.等SCI收录刊物上发表研究论文17篇，申请/授权国家专利9项。曾获宝钢优秀学生奖、研究生国家奖学金等荣誉，在第九届中国研究生能源装备创新设计大赛等学科竞赛中以第一完成人获得国家级奖励5项。

任宇奇，现为东南大学化学化工学院博士研究生，研究方向为CO₂资源化转化与利用。以第一作者及共同第一作者身份在Nature Communications, Angewandte Chemie International Edition，ACS Nano，ACS Catalysis. 等重要的SCI收录刊物上发表研究论文12篇。主持2025年度东南大学博士研究生创新能力提升计划，并成功入选首届中国科协青年人才托举工程博士生专项计划（中国能源研究会）。

兰盛楠，现为东南大学化学化工学院硕士研究生，于2023 年加入李乃旭教授课题组，研究方向为光热催化和CO₂还原。

李乃旭教授，现为东南大学化学化工学院博/硕导。2003年~2014年于东南大学分别完成本科、硕士和博士的学习和研究阶段；期间2011年~2013年在国家留学基金委的支持下，于美国佐治亚理工学院进行联合培养，导师为Younan Xia 和 Krista Walton教授。入选江苏省“333高层次人才培养工程”中青年学术技术带头人、唐仲英基金会“仲英青年学者”、江苏省“双创计划”科技副总项目、南京高层次创业人才引进计划。主持国家自然科学基金、江苏省教改项目/江苏省自然科学基金、企业横向等项目。以第一或通讯作者在Nature Communications, JACS, Angewandte Chemie International Edition, ACS Nano, ACS Catalysis, Science Bulletin, Advanced Functional Materials, Nano Energy, AIChE Journal. 等学术期刊发表研究论文100余篇；申请国家发明专利69件，授权40件。

课题组官网：https://www.x-mol.com/groups/linaixu191

文献详情：

Cross-Scale Construction of Photothermal Synergistic Catalytic Systems: Mechanistic Insights from Single Atoms, Clusters to Nanoparticles and Energy Conversion Applications

Hongbin He^1†, Yuqi Ren^1†, Shengnan Lan^1†, Hongyang Zhang¹, Yuan-Hao Zhu¹, Ruoxuan Peng¹, Jiancheng Zhou¹,Maochang Liu², Yitao Si¹, Dengwei Jing², Naixu Li^1*

^{Applied Catalysis B: Environment and Energy，2025}

^{https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125623}

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