综述：跨尺度构建光热协同催化体系：从单原子、团簇到纳米颗粒的机理解析及能源转化应用

这篇综述系统阐述了光热协同催化（Photothermal Synergistic Catalysis）在跨尺度材料设计中的突破性进展，提出"能带调控-局域场工程-热力学匹配"（band structure regulation-local field engineering-thermodynamic matching）的三元框架，通过单原子（SACs）、亚纳米团簇（如Au6）和纳米颗粒（如LSPR效应）的多尺度协同，解决了光/热能量传递的时空失配难题，为CO2加氢、甲烷重整等能源转化技术提供了新范式。

　　

光热协同催化的基础理论

光热协同催化通过耦合光激发（photoexcitation）与热活化（thermal activation），突破单一能量形式的效率极限。其核心在于非平衡态电荷载体（如电子-空穴对）与热驱动分子活化过程的协同，典型如太阳能驱动CO₂加氢中，光生高能电子与C=O键热裂解活化能的协同降低，使反应速率提升1-2个数量级。

单原子尺度催化体系

单原子催化剂（SACs）凭借明确的活性位点结构成为原子尺度研究的理想平台。例如C₃N₄中吡啶氮配位的Pt单原子可使CO₂吸附能降低0.8 eV。原位同步辐射X射线吸收谱（XAFS）揭示光热耦合场诱导的配位环境动态重构，而电子-声子耦合特性是调控能量传递的关键。

团簇尺度催化体系

亚纳米团簇（1-2 nm）的量子限域效应产生独特优势：Au₆团簇的局域表面等离子体共振（LSPR）强度比纳米颗粒高2-3个数量级，热载流子注入效率达35%。密度泛函理论（DFT）结合有限元多物理场模拟证实，团簇尺寸与光热转换效率存在定量关联。

纳米颗粒尺度催化体系

纳米颗粒通过等离子体效应（如Au/Ag NPs）拓展光谱响应，但热载流子飞秒级寿命与微秒级热催化动力学存在根本性失配。Cd₂In₂S₅/Cd_0.3Zn_0.7S异质结通过能带工程将载流子寿命延长至3.04 ns，展示了界面工程设计的重要性。

跨尺度协同与结构工程

突破性进展在于整合原子级电子结构调控（如SACs配位环境）与宏观光热场优化。机器学习驱动的高通量筛选加速了适用于甲烷重整等工业反应的催化剂设计，实现从光子捕获到分子活化的全链条调控，最终超越Shockley-Queisser效率极限。

结论

跨尺度光热催化体系正推动能源技术从经验探索走向多物理场协同调控。未来需进一步发展原子层沉积（ALD）等精准制备技术，结合同步辐射/超快光谱等多尺度表征方法，最终实现太阳能大规模转化技术的工业化落地。