随着全球化石能源枯竭、环境污染与气候问题日益严峻，开发清洁、可持续的可再生能源已成为全人类的核心战略。太阳能作为储量最丰富、分布最广泛的清洁能源，是破解能源危机的关键路径。在众多太阳能利用技术中，光热转换（Photothermal Conversion）凭借结构简单、成本低、光谱利用率高、稳定性强等优势，成为太阳能规模化应用的重要方向——它直接将光能转化为热能，可用于海水淡化、采暖、催化、医疗、储能、智能穿戴等诸多领域，是当前功能材料与能源领域的研究热点。但该领域发展仍面临显著瓶颈：传统研究过度聚焦材料宏观性能表征与单一光热机制解析，普遍忽略原子—分子—宏观界面跨尺度键合相互作用对能量传递的本质调控；不同类型化学键、分子间弱相互作用的协同与竞争机制不明确，缺乏统一的理论框架支撑材料定向设计。

  针对传统光热转换研究机制碎片化、缺乏微观本质指导、智能性不足等关键难题，天津大学封伟教授团队以跨尺度键合作用为核心切入点，全面梳理光热转换机理、键合类型、协同机制、智能材料设计及应用进展，建立“键合协同 — 能量传递 — 性能调控”一体化关联框架。

  团队系统剖析了局域表面等离子体共振（LSPR）、非辐射弛豫、π 电子激发弛豫三大经典光热机制与化学键合的内在关联，明确共价键、配位键、金属键、及超分子相互作用在光热转换中的独特功能；揭示多尺度键合协同 / 竞争对光吸收、激子分离、热能输运的调控规律；阐述了基于动态可逆键合的自修复、形状记忆型智能光热材料的设计原理与构效关系；总结可穿戴热管理、光热催化、海水净化、热能存储等典型场景应用，并对领域挑战与未来方向进行前瞻性展望。

  2026年4月17日，相关成果以“Photothermal energy conversion mechanisms and materials from a cross-scale bonding interactions perspective” 为题发表在《Materials Today》，突破传统光热研究仅关注宏观性能的局限，将光热机理研究推向原子/分子键合调控的本质层面，为高效、稳定、智能、绿色光热材料的开发提供系统性理论支撑。论文第一作者为天津大学材料学院硕士研究生宗楠，通讯作者为天津大学材料学院封伟教授。该研究受到国家自然科学基金重点项目和重大仪器项目支持。

1. 跨尺度键合作用下的光热转换机理与路径

  传统光热机理研究将LSPR 效应、非辐射弛豫、π 电子弛豫相互割裂，未揭示其共同的微观本质。跨尺度键合协同是光子吸收、能量转移与热耗散的核心骨架。

图1. 光热机制示意图：(a)LSPR效应；(b)非辐射弛豫；(c)激发的π电子的弛豫

  共价键通过电子激发，键的键级发生降低，而极性键的偶极矩增加，化学键的键长发生瞬时的变化，由于化学键的刚性结构和较高的键能，光生载流子的能量通过振动弛豫和非辐射跃迁转化为热能，能量传递给晶格的过程中，共价键会发生变形，引起晶格振动。此外，高能共价键易形成连续的声子传输通道，具有良好导热性的优势。大多数碳基光热材料因其共轭效应可以实现高效的电子流动，其晶格的杂化结构有利于实现宽太阳光吸收。以石墨烯为例，石墨烯是具有六角形蜂巢结构的二维纳米材料，具有独特的sp2杂化轨道结构碳原子间具有大量的π-π共轭结构，使得电子在其中具有良好的离域性。吸收光子后，电子从价带跃迁到导带，激发后的电子在运动的过程中与石墨烯晶格发生相互作用，将能量传递到晶格上，引起共价键的键长、键角发生变化，从而使晶格发生振动，将光能转化为热能耗散。通常，动态共价键有结合交换和解离交换的方式发生。结合交换先发生新键的结合，再发生原有键的断裂。解离交换先发生键的解离，后发生新键的重组。

图2. (a)(b)动态共价键的结合交换和解离交换;(c)动态聚合物网络中报告的关键架构参数;

  配位键由一个原子（称为配体，通常含孤对电子或π电子）提供电子对给中心原子，本质上属于化学键范畴。配位键的强度介于共价键和范德华相互作用之间，它可以在相当宽的范围内进行调整。配位键在光照刺激下，电子从配体跃迁至金属d轨道，d电子再向配体的π轨道跃迁产生高能热电子。同时，配位键的键长度伸长，光还原驱动导致配位丢失，配位数降低，甚至发生配体的解离，激发态电子主要非辐射弛豫形式实现热能释放。

图3. MLCT过程示意图

  金属键是金属原子间的主要结合方式，由自由电子及排列成晶格状金属离子间的经典吸引力组合而成，其核心特征是电子离域化。其谐振频率取决于金属成分、周围介质和纳米结构的几何形状。当入射光子的频率与材料表面的自由电子的固有频率相匹配时，金属键中的自由电子在光电场作用下发生集体相干位移，使得电子云偏离平衡位置，打破阳离子晶格和电子云的静电平衡。阳离子和电子云的库仑吸引作用使得电子云产生共振，从而产生增强的光吸收。共振过程中金属键并未断裂，但其离域性使得电子的动能增加（光能转换为电子动能），电子震荡的动能再通过晶格传递为金属阳离子的剧烈振动（声子），即能量通过电子-电子和电子-声子弛豫过程转换为热能。金属阳离子晶格作为框架，限制了电子云的位移极限，金属键在光热转换过程中扮演着提供离域电子捕获光能的能量收集器，以及通过晶格转换能量的能量转换器的作用。金、银和铂等金属组成的纳米粒子，具有高自由电子、可调吸收区、以及良好的稳定性等优势。而双金属纳米颗粒相比于单金属纳米颗粒在结构形貌、光热转换、细胞毒性等方面均具有不同程度的优势。

  与传统分子合成相比，超分子组装体具有更加灵活的方式调节光热转换。超分子组装体通过“超分子光热效应”制备稳定性和光热转换效率增强的光热材料。超分子相互作用是指分子间非共价相互作用，例如氢键、范德华力、π-π堆积作用、金属-配体相互作用等。金属配位作用和配位键并没有明确的区别，分子金属配合物和金属超分子组装体也没有明确的界限。超分子光热效应比分子光热效应复杂，吸收光子后，超分子体系可能发生非共价键的可逆断裂、光诱导分子内运动、吸收光谱改变、增强结构稳定性等。超分子系统可以是紧密排布堆叠的，也可以是发生在界面上的少数分子。超分子作用可能发生在单个组分或者多重组分中，不同种类的超分子作用可能还会有协同效应，具有丰富的多样性。

图4. 光响应 a偶氮苯，b二苯乙烯，c硬二苯乙烯，d二芳乙烯，e螺吡喃，f基于腙的开关，g分子马达，h可光裂解的邻硝基苄基，i三芳胺衍生物，和j肉桂酸衍生物。

2. 关键键合类型与光热材料构效关系

  研究系统归纳五大类键合作用的机制、优势、缺陷与典型材料，形成完整的性能调控图谱：

  共价键：刚性骨架提供高热导率与结构稳定性，动态共价键赋予自修复与形状记忆能力；

  配位键：键强可调、电子跃迁路径多样，适用于MOF、金属配合物等高活性光热体系；

  金属键：LSPR 效率高、光谱可调，生物相容性好，但成本高、易团聚；

  超分子作用：响应快、结构柔性可调，适用于超分子组装型光热材料；

  多键合协同体系：突破单键合限制，实现效率、稳定性、多功能性同步提升。

  研究进一步揭示：键合协同提升光热性能，键合竞争降低转换效率。通过定向设计键合类型、比例与分布，可实现光吸收、热输运、稳定性的精准调控。

图5.不同材料的光热转换机制与键合作用能量弛豫路径示意图

3. 动态键合驱动的智能光热材料设计

  依托动态可逆键合（动态共价键、配位键、氢键、超分子作用），团队阐明智能光热材料的核心设计逻辑：光热形状记忆材料：永久共价键维持骨架，动态键提供可逆交联，光照产热触发形状固定与恢复；光热自修复材料：光热效应升温诱导动态键断裂— 重组，实现裂纹自发修复。形状记忆辅助自修复：利用构象熵储能驱动裂纹闭合，大幅提升修复完整性与使用寿命。这类材料可在光控下实现非接触、精准、快速响应，在生物医用、柔性电子、智能涂层、可穿戴设备中极具优势。

图6.形状记忆辅助愈合过程示意图

  文献详情

  Nan Zong, Shan Li, Zhixing Zhang, Mengmeng Qin, Wei Feng*, Photothermal energy conversion mechanisms and materials from a cross-scale bonding interactions perspective, Materials Today 97 (2026) 103339

  文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103339

通讯作者简介：

  封伟，天津大学二级教授。1992年本科毕业于西安交通大学高分子材料专业，获工学学士学位，2000年获得西安交通大学电子工程工学博士学位，后在日本大阪大学电子系、清华大学化工系做博士后研究。2004年加入天津大学材料学院高分子系任教授、博士生导师。担任第七、八届教育部科技委学部委员，中国复合材料学会常务理事、导热复合材料分会首任会长，中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事、SAMPE中国大陆总会智能复合材料专委会副主任委员等职。主要从事功能有机碳复合材料，高导热复合材料，光热能转换存储材料，高性能氟化碳材料以及智能响应功能复合材料方向研究。担任国家某能源领域重点项目首席科学家、装备预研-教育部创新团队负责人、天津市131创新团队负责人。封伟教授主持国家自然科学基金重大科研仪器项目、国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年基金项目、国家科技部重点研发等项目50余项。入选国家级科技创新领军人才，科技部中青年创新领军人才，天津市杰出人才，天津市海河英才，天津市青年科技奖、天津市131创新人才第一层次、教育部新世纪优秀人才等计划。是英国皇家化学会会士（FRSC），日本JSPS学术振兴委员会高级访问学者，享受国务院政府特殊津贴。在Chem. Soc. Rev.、Nat. Comm.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表学术文章300余篇。授权中国发明专利100余项，授权国际专利5项。主编和参编英文专著4部，国家十四五国家重点出版物1部。入选美国斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单，入选2025年度“科睿唯安”全球高被引科学家榜单。以第一获奖人身份获得教育部技术发明一等奖（2020年）、天津市自然科学一等奖（2023年）、天津市技术发明一等奖（2015年和2018年）以及中国复合材料学会科技一等奖（2023）等省部级奖5项。