第一作者：贺红斌，任宇奇，彭若轩

通讯作者：李乃旭教授，刘向雷教授

通讯单位：东南大学，南京航空航天大学

论文DOI：https://doi.org/10.1002/adma.202523060.

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纳米限域光热催化技术通过精准构筑微纳限域空间，实现对光热转换效率与反应选择性的协同强化。其核心在于利用空间限域效应，优化反应物/中间体的传质能垒分布，突破传统催化体系的效率瓶颈，为碳中和目标提供了创新解决方案。本综述系统阐释了该技术的核心物理化学机制、先进工程策略及其在太阳能燃料合成领域的前沿进展，揭示了限域微环境内独特的场效应对光热能效与产物选择性的显著提升作用。深入解析了限域空间内光热转换、传质吸附调控、反应路径优化及光-热-质多场协同等基础科学问题；重点论述了限域结构精准构筑、高效光热活性组分集成、催化位点原子级设计及界面工程优化等关键创新策略。该技术在光驱动制氢、CO₂资源化转化、CH₄干/湿重整及低碳烷烃定向升级等领域展现出变革性应用潜力，但仍面临多物理场耦合机制不明晰、亚纳米级材料精准创制与长效稳定性挑战、热管理与传质过程失配、反应动力学与传质速率博弈、复杂反应网络选择性精准调控及规模化工程放大路径缺失等关键科学瓶颈。本综述为深入阐明限域催化反应本质、创制新型多功能材料、突破系统稳定性极限、实现跨尺度过程强化与系统集成、最终推动高效高选择性太阳能燃料合成工业化进程规划了清晰的发展路径。

本文亮点

1. 本综述深入探讨了限域空间内的基本机制，包括光热转换、传质与吸附调控、反应路径优化，以及光、热、传质多场耦合。

2. 本综述系统评述了纳米限域光热催化，重点关注限域结构的精确构筑、光热活性组分的合理整合与设计、催化活性位点的原子级精度调控，以及限域界面的协同优化。

3. 本综述总结了其在太阳能燃料合成中的应用：显著提升光热驱动制氢效率；实现高选择性CO₂转化为甲烷和多碳燃料；推进CH₄干/湿法重整与轻质烷烃的定向升级。克服了传统催化在转化率和选择性方面的瓶颈。

4. 本综述强调了持续存在的挑战：光-热-质耦合机制不明晰；亚纳米尺度材料精度与稳定性之间存在难以调和的矛盾；传质/反应动力学失配；复杂反应网络调控能力不足；以及跨尺度热管理/规模化路径的缺失。

图文解析

图1.传统光热催化（左）与纳米限域光热催化（右）。

图2. 不同的限域反应模型以及纳米限域光热催化的基本原理。

图3. （a）模拟证实高光照功率下中红外发射率(ε_MIR)是决定系统温度的关键参数；（b）阐释降低εMIR构建宽谱吸收/选择性发射光热催化剂的光谱设计，参照AM 1.5G太阳光谱与673K黑体辐射谱；（c）展示纳米粒子负载大孔Ti₃C₂Tₓ载体结构，其平整片层提供低ε_MIR特性提升光热效率，多孔网络促进传质协同驱动催化；（d）呈现该催化剂的光谱选择性设计，对比AM 1.5G太阳光谱与673K黑体辐射谱。（e）显示光沉积法制备金纳米粒子-氮化镓纳米线（Au NP/GaN NW）复合体系的构建方案；（f）展示655 nm波长激发下Au/GaN体系的有限差分时域模拟结果，其局域电场强度峰值达未修饰体系的2.7倍；（g）对比呈现GaN/Si、Au/GaN/Si与Au/多面体GaN/Si三组结构的光致发光谱图特征。（h）对比了CdS-笼/1T-WS₂材料在暗态与可见光照下沿指定线位的表面光电压分布及变化值；（i）展示了光生载流子分离与热电子补充机制示意图；（j, k）提供了530 nm处CdS-笼/1T-WS₂与CdS-立方/1T-WS₂的归一化TAS动力学拟合曲线，插图呈现飞秒-皮秒尺度的TA信号光谱特征。（l，m）分别表征了甲酸(FA)引入后CdS-笼/1T-WS₂和CdS-立方/1T-WS₂的归一化TAS动力学演变规律。 (n) Ir-CoO/Al₂O₃催化剂的扫描电子显微镜图像；（o）可见光照射（420–780 nm, 2 W·cm^-2）下0.16 wt% Ir/Al₂O₃、CoO/Al₂O₃及0.16 wt% Ir-CoO/Al₂O₃（石英砂稀释）的温度变化曲线与红外热像图（内插图为Ir-CoO/Al₂O₃光照热分布）。（p, q）空间电场分布；（r, s）表面温度场分布。

图4. (a) 紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）吸收光谱；(b) 表面温度分布图；(c) 红外发射率曲线；(d) 模拟温度分布结果；(e) 光热催化限域效应机制示意图。(f) OMC 在红外激光照射下的升温曲线； (g) F-Ce@OMC-CR 在 DMSO 中的紫外-可见光谱随功率强度的变化； (h, i) 单个 OMC 颗粒在激光照射下的温度分布图。

图5. (a) 催化性能；(b) 催化剂表面 Ov 浓度、吸附的 CO 量与 ZnO 负载量之间的关系。(c, d) 石墨烯基膜的气体扩散。(e) NC-IN/PDS和NC-OUT/PDS体系中SMX降解的能量势垒；(f) 均方位移(MSD)。(g, h) 原位DRIFTS；(i) 构建的理论模型。(j-l) 氢迁移能垒计算；(m) 吉布斯自由能垒；(n, o) 对比反应路径证实，Ru/Ti/Mn三元界面将甲酸盐氢化能垒降至0.39 eV（对比Ru/MnO的0.67 eV），通过促进C−O键断裂提升了CO₂加氢效率。

图6.（a）吉布斯自由能图；（b）C-C 键合的过渡态能垒。（c-e）钯-锌氧化物纳米片不同位置的原子构型；（f）吉布斯自由能图。（g-i）0.1%Pt/0.08%Au/CeO₂（100）、（110）和（111）催化剂的结构模型侧视图；（j-l）0.1%Pt/0.08%Au/CeO₂（100）、（110）和（111）催化剂的结构模型顶视图。（m）吉布斯自由能变化直方图及反应机制。

图7. （a, b）不同条件下的催化性能。（c）不同条件下（光催化和光热催化）的有机酸生成速率。（d）二氧化碳还原的生产速率；（e）二氧化碳还原的生产速率的比较。（f）催化机制。（g）光催化H₂生成速率。（h）微孔结构中激子可能迁移行为的示意图；（i）表面光电压和表观量子产率。

图8. （a）CuBTC-D 中光催化剂单元填充量变化示意图；（b）C₂H₄ 产率与 CuBTC-D 中光催化剂单元填充量以及 Cu₂ 位点数量的拟合关系；（c）照射强度与 C₂ 选择性的关系；（d） CuBTC-D/PC 在 TAS 中激发态吸收。（e) CdS 纳米笼/1T-WS₂ 纳米笼的合成示意图；（f)甲酸的转化率、选择性和产氢速率；（g) 量子效率；（h) 循环实验；（i) 不同波长光照和温度控制条件下光热催化性能。（j）AFM图像以及相应的KPFM图像；（k-l）无光照情况和有光照情况；（m）表面电位分布；（n）AFM图像以及相应的KPFM图像；（o-p）无光照情况和有光照情况；（q）表面电位分布；（r-s）电场模拟和温度模拟。

图9. （a)Co 2p XPS 光谱图；（b）Co K 边 XANES 光谱图；（c）k³加权的傅里叶变换EXAFS图谱；（d）对k³加权的EXAFS信号进行小波变换的结果图；（e)在R空间中Co SSC的相应EXAFS拟合曲线。DLDS的原位X射线光电子能谱图：（f）Mo 3d；(g）W 4f；(h）Zn 2p和In 3d。（i-l）MeCN和（m-p）纯水中光催化剂的二维fs-TA光谱。

图10.（a）Pt₅/Zn₂SiO_4-x(010) 模型图；（b）丙烯脱氢反应机制；（c）态密度；（d）脱氢和脱附的能垒。（e-l）分子动力学模拟。（m）电场的空间分布情况。

图11. （a）CoCrO_x 的原位 XANES 光谱；（b）Co K 边的 k³ 加权 FT-EXAFS 光谱的拟合曲线；（c）在 OER 过程中归一化吸收边能量与 Co-O 协同数之间的关系；（d）CoCrO_x 的原位 vtc-XES 光谱和参考样品的光谱；（e）原位 vtc-XES 光谱中的强度差异与 Co-O 键长之间的关系。（f-j） fs-TA 光谱。（k）原位傅里叶变换红外光谱。

图12.（a-h）1000℃下Mo在碳和MgO载体上扩散的原位HAADF-STEM表征。（i-n）对 BiVO₄、BiVO₄/CuS 以及 BiVO₄/CuS/NiFeCoO_x 在中性水氧化条件下的情况进行了 IMPS 分析。

图13.（a, b）含酸和/或过渡金属中心的沸石催化的串联反应。（c）PQD@PCN-6 '催化剂示意图；（d）光催化CO₂还原性能。（e）D-A框架光催化剂的催化过程；（f）光催化H₂P-BT(OMe)₂-COF的偶联缩合反应。（g）不同形态的受限结构催化剂中的大规模扩散及催化反应。（h）Co@NC催化剂的光热CO₂加氢性能。

图14.（a）Ni@p-SiO₂-30纳米尺度温室效应示意图；（b）二氧化碳转化率。（c）催化剂的紫外-可见吸收光谱；（d）催化剂在光热反应溶液中的温度曲线；（e）有机酸产率。（f）分离性能与锌/锆摩尔比的关系；（g）性能比较；（h）分离性能与运行时间的关系；（i）分子筛分用精细探针的结构与NP和MO混合物进行选择性分离的紫外-可见光谱；（j）NP/MO 混合物分子筛分与运行时间的关系。

图15.（a）HMe-CuS-3 晶体的形成示意图；（b）双金属催化位点的示意图；（c）金、钴、铜和硫元素的扫描电子显微镜图像及相应的分布图像；（d）C₂H₂ 和C₂H₄ 的产率；（e）不同样品光催化二氧化碳还原的气体生成速率。（f）催化机制；（g）光催化二氧化碳还原活性；（h) 量子产率。（i）具有范德华接触的复合催化剂上CO₂还原途径示意图；（j-k）产率；（l）稳定性测试。（m）异质掺杂型 BCN 实验合成步骤；（n）态密度图；（o）掺入异质原子后的 eBCN 的电荷密度等值面；（p）T1-C1位点和（q）T1-B1位点在掺入异质原子后 py 轨道的位移。

图16. （a）PI/A/S/S-Ni 的紫外-可见-中红外吸收光谱；（b）在100 ℃和 300 ℃的红外相机图像；（c）反应系统的模拟空间温度分布图；（d）催化剂正面和背面的模拟温度图；（e）催化性能。（f）HfN/Hf₂ON₂ 异质结构的二维伪彩色图，泵浦波长为650 纳米；（g-h）不同波长下探测的 TA 动力学；在 720 nm下探测的 TA 动力学；（i）HfN/Hf₂ON₂ 异质结构中光子诱导的热电子转移的示意图；（j）催化剂瞬态电流-时间曲线。（k） 紫外-可见吸收光谱；（l）禁带宽度；（m）M-S分析曲线；（n）平衡前的能级排列；（o）平衡时的能级排列；（p）准静态平衡状态。（q）MXene 和（r）m-MXene 薄膜的红外图像；（s）MXene和（t）m-MXene 薄膜的表面温度分布；（u）各种光热材料的光热效率比较。

图17. （a）三维rGOTEA器件设计示意图。（b）SC和NSC样品的制备过程示意图。（c）催化剂的温度分布和红外热像；（d）光热二氧化碳还原性能和选择性。(e) CAT-1/COF-316 复合材料合成示意图；(f) 催化剂的紫外-可见吸收光谱；(g) 一氧化碳产量随时间的变化曲线；(h) 复合材料的光热催化性能。(i) Co-DDA-Balsa 蒸发器的制备示意图；(j) 蒸发速率测试；(k) 相应的温度随时间波动情况。

图18.（a）Au@CdS 核壳纳米棒和（b）Au@PbS 核壳纳米棒的开路电位（OCP）响应；（c、d）界面处的差分电荷分析；（e）热电子和热空穴可能转移过程的示意图；（f）电荷转移示意图。（g-i）催化剂飞秒时域光谱分析中的电荷动态过程；（j）电荷动力学随时间延迟的函数；（k）光热催化CO₂还原示意图。（l）催化剂合成示意图；（m）XRD 图像；（n-o）TEM 图像；（p）Co₃S₄（110）和 Co₉S₈（110）HADDF-STEM 图像；（q）完全松弛的 Co₃S₄（111）/Cu₂S（111）异质结薄层模型。

图19.（a）Ni/Pr-CeO₂催化剂的制备示意图；（b-c） 热催化 CRM 的H₂ 和CO 产量；（d-e）光热催化 CRM 的 H₂ 和CO 产量。（f）光热二氧化碳还原系统的示意图；（g-j）温度空间分布图；（k-m）CO、CH₄ 和CH₃OH 的产率。（n）Ru-MoO₃ 在二氧化碳加氢过程中的结构演变的HAADF-STEM 图像；（o-p）温度依赖性循环催化性能；（q）CO₂加氢催化剂的性能对比；（r）不同温度下的 CO₂ 转化率。

图20 （a）HAADF-STEM 图像；（b）EDX 元素分布图像；（c）转化率和选择性；（d）催化活性和乙烯收率；（e）阿伦尼乌斯曲线；（f）耐久性测试。（g）HAADF-STEM 图像和元素分布图；（h-i）热催化活性及一氧化碳选择性；（j）连续性能测试；（k）稳定性测试。

图21（a）c-Pd 和 o-Pd 纳米晶体的制备示意图；（b-c）XRD 图谱；（d-g）c-Pd 的 TEM 图像；（h-k）o-Pd 的 TEM 图像；（l） 催化性能；（m）催化性能的归一化处理；（n）回收测试。（o）CoAl-LDH@TA-Cu-6nm 异质结制备的示意图；（p-q）透射电子显微镜图像；（r）近景透射电子显微镜图像；（s） HRTEM图像；（t）能量色散光谱；（u-v）原位 XPS谱图；（w）电荷密度差；（x） 异质结的形成过程及光催化二氧化碳还原示意图；（y）引入缺陷前后的钴铝层状氢氧化物的能带结构。

图22（a）利用PDMS模具制造微针模块；（b）紫外-可见-近红外光谱；（c）光吸收示意图；（d）光催化氢气生成速率；（e）稳定性。（f-g) HAADF-STEM图像；（h-i）CO生成速率和选择性；（j-k）稳定性测试。（l）C₂H₄、C₂H₆和C₂H₅OH的产率；（m) 性能比较；（n）循环实验；（o）CO₂转化过程的吉布斯自由能图。

图23（a）XPS光谱；（b）CO2-TPD；（c）ESR光谱；（d）PAS光谱中正电子的寿命；（e）氧缺陷的分布和结构模型；（f）TOF数；（g）循环实验。（h）产气速率和CH₄选择性；（i）CO解吸能；（j）CO程序升温脱附曲线；（k-l）电子局域函数；（m-n）Bader电荷；（o）差分电荷密度；（p）反应路径。（q）ESR 波谱；（r）水分解反应的示意图；（s）氢气和氧气生成速率；（t）AQY；（u）循环实验；（v）反应前后的拉曼光谱。（w）通过阴离子和阳离子空位介导的静电驱动自组示意图；（x）Tauc 图、VB XPS 谱图和能带排列；（y）CO产率图、质量比对CO生成速率的影响和空位浓度对CO生成速率的影响。

图24（a）红外光谱；（b-c）EXAFS 图谱；（d-f）EXAFS 的小波变换光谱。（g、i） XANES图谱；（h、j）EXAFS 图谱；（k）EXAFS 的小波变换光谱；（l）原位傅里叶变换红外光谱；（m）CO₂-TPD。（n）瞬态吸收光谱；（o-p）动力学衰减曲线；（q）电子猝灭路径和电荷转移示意图。（r）UV-vis DRS光谱；（s）能带位置示意图；（t）XPS光谱；（u）催化剂温度变化情况；（v）电场分布；（w）甲烷产率和选择性。

图25（a）紫外-可见吸收光谱；（b）光热温度曲线；（c）红外热成像图；（d）甲烷产率；（e）CO₂转化率；（f）循环稳定性测试；（g）H₂-TPR；（h）CO₂-TPD；（i）光热催化活性及其对应的温度。（j）传质过程示意图；（k）模拟PMS浓度从本体溶液到催化剂表面的变化；（l）RhB进入固液界面及界面层内反应时的通量；（m-n）RhB在催化剂表面和本体溶液上的累积效应；（o）对不同膜的速率常数拟合；（p-r）不同自由基在不同条件下的贡献拟合。（s）在10 psi下的热阻；（t）在 5 s^-1 等速率下的粘度；（u）不同压力下的热阻；（v）热管理应用及其结构示意图；（w）芯片的温度随加热时间的变化情况；（x）在不同功率密度下芯片的温度变化情况；（y）循环加热/冷却测试中的热冲击稳定性。

图26（a）光催化制氢所用废水的示意图；（b）用于从废水中进行光催化制氢的水相调节系统设计图；（c）UV-vis光谱；（d）红外热成像照片；（e）蒸汽质量变化；（f）原始废水和蒸汽水的元素浓度；（g）光催化产氢性能；（h）光催化产氢速率。（i-k）氢气生成速率；（l）氢气生成率随波长的变化情况。（m）Rh/Cr₂O₃/3DOM-BiVO₄ 系统整体水分解示意图；（n）整体水分解性能；（o）表观量子产率（AQY）以及紫外-可见漫反射光谱（DRS）。（p）利用 P-TiO₂(B)/Ni₂P/NF 实现光热催化海水分解的示意图；（q）不同催化剂负载于纳米纤维上的示意图；（r）P-TiO₂(B)/Ni₂P/NF 系统在纯水、3.5 wt% NaCl 溶液和海水中的析氢性能。

图27（a）催化剂合成路线；（b）UV-Vis-NIR漫反射光谱；（c）N₂ 吸附和解吸等温线；（d）CO₂ 吸附和解吸等温线；（e）量子产率。（f-g）HAADF-STEM图像；（h）原位紫外-可见吸收光谱；（i）热催化性能；（j）光热催化性能；（k）m/z=33（¹³CH₃OH）的质谱信号强度；（l）稳定性测试。（m）光热催化CO/CH₄ 产率；（n）CH₄ 选择性；（o-q）原位DRIFTS光谱。（r）利用客体-主体光催化剂直接捕获并原位还原稀CO₂的新策略；（s）光催化实验装置的示意图；（t）[Emim]BF₄@PCN-250-Fe₂Co 在大规模实验中对稀CO₂转化的光催化性能。

图28 （a-c）H₂ 和 CO 的产率；（d）长期稳定性测试（200 小时）；（e）CO 生成速率。（f-g）甲烷干重整性能；（h）甲烷转化率；（i）甲烷干重整的H₂/CO比值；（j）不同入射强度下光热催化长期稳定性；（k）阿伦尼乌斯图；（l）稳定性测试。（m）H₂ 和 CO的选择性及产率随时间的变化情况；（n）甲烷和二氧化碳的转化率随时间的变化情况；（o）TPSR；（p）氧空位滴定（TPO）实验。（q）DRM 路径的反应能级图；（r-s）初步活化过程中最低能量路径的过渡态；（t）光驱动的 DRM 机制的示意图。

图29 （a）丙烷转化率；（b）丙烯选择性；（c）丙烷转化率和丙烯选择性（550°C）；（d）长期稳定性测试下的 PDH 转化率；（e）经过多次再生循环后的 PtSn/PZ 催化剂下的丙烷转化率和丙烯选择性。（f-g）丙烷转化率和丙烯选择性；（h）不同再生循环次数下的再生效率比较；（i）催化剂的预期总使用寿命。（j-k）丙烷转化率和丙烯选择性；（c）催化剂在不同条件下（在环境压力下）的 TOS 依赖型丙烷脱氢性能。

图30 通过纳米限域光热催化实现太阳能燃料合成所面临的挑战与展望。

文献信息

Nanoconfined Photothermal Catalysis: Mechanisms, Engineering Strategies, and Solar Fuel Synthesis

Hongbin He¹, Yuqi Ren¹, Ruoxuan Peng¹, Hongyang Zhang, Yuan-Hao Zhu, Xianglei Liu*, Jiancheng Zhou, Lunbo Duan, Yitao Si, Maochang Liu, Dengwei Jing, Naixu Li*

Advanced Materials. 2026.

https://doi.org/10.1002/adma.202523060

作者介绍

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。以第一作者及共同第一作者身份在Advanced Materials, Nature Communications, ACS Catalysis, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environment and Energy, Small, 等SCI收录刊物上发表研究论文10篇，累计发表21篇，申请/授权国家专利9项。主持2026和2027年度东南大学博士研究生创新能力提升计划。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 (2篇), Angewandte Chemie International Edition，Advanced Materials，ACS Nano，ACS Catalysis (2篇) 等SCI收录刊物上发表研究论文16篇，累计发表19篇。主持2025和2026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科技人才培育工程博士生专项计划（中国能源研究会）。

彭若轩：现为东南大学化学化工学院在读博士研究生。研究方向聚焦于以氧化钨为代表的金属氧化物材料功能化，探索其在聚集太阳能利用与转化等领域的实际应用。目前已在Advanced Materials，ACS Catalysis，Journal of Alloys and Compounds等国际期刊发表多篇研究型论文。

刘向雷教授：南京航空航天大学教授/博导，国家重点研发计划首席科学家，国家海外高层次青年特聘专家，能源与动力学院副院长，综合能源研究院执行院长。2011年本科毕业于西安交通大学能源与动力学院，2016年博士毕业于美国佐治亚理工学院（美国三大理工之一），主要从事航空航天器热管理、绿色航空技术、长时热质储能技术、二氧化碳合成可持续航空燃料等方面的研究工作，主持国家重点研发计划变革性项目（1675万）、国家重点研发计划国际合作项目1项（300万）、国家自然科学基金区域联合基金重点项目（300万）、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项项目（3000万）、内蒙古科技厅大青山项目（1780万）、军委科技委国防科技创新特区项目/基础加强项目/总装项目、国家自然科学基金面上/青年/国际合作项目等多项国家和省部级重点项目。近年来在Joule、Advanced Materials等发表SCI期刊论文160余篇，包括封面文章6篇，合作出版英文专著3部，受邀在国际会议做特邀大会报告2次，特邀主题报告10余次。

李乃旭教授：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, Advanced Materials, 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。

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