随着能源需求持续上升，研究新型高效可再生清洁能源已成为当务之急。目前，太阳能、风能、潮汐能和地热能等可再生能源仅占当前能源需求的不到40%。提高这一比例并减少化石燃料的使用量将需要其他更高效的可再生和清洁能源。

氢气是一种很有前途的替代品，但目前它是通过蒸汽重整生产的，效率低下并产生CO 2排放。电化学水分解，也称为水电解，可以利用可再生能源产生的电力，是生产氢气的潜在有效解决方案。水分解需要一个称为析氢反应(HER)的反应，但参与该析氢反应的纳米催化剂不具有统一的尺寸、组成、结构或化学配位环境来提高效率并促进反应机理的理解。这个问题的解决方案可能在于原子级精确的金纳米团簇。

在 8 月 19 日发表在Polyoxometalates上的一篇文献综述中 ，研究人员总结了研究金纳米团簇如何提高催化性能并促进 HER 的现有工作。

“要获得具有绝对均匀尺寸、明确的几何构型和解剖学层面明确的局部化学环境的模型催化剂，以建立明确的原子级结构-性能关系，是极其困难的。原子精确的金纳米团簇有可能解决这些问题，”中国广州华南理工大学新能源研究所研究员唐正华说。“具体来说，金纳米团簇在各种有机反应和电催化反应中表现出了非凡的催化性能。”

出于多种原因，金纳米团簇特别适合作为 HER 催化剂。与其他纳米催化剂不同，金纳米团簇具有精确的纳米结构。这种精确的结构意味着所有金纳米团簇的尺寸、成分、形态和化学环境都是均匀的。它还有助于识别 HER 催化的活性位点。金纳米团簇丰富的化学反应性允许金属核定制和表面配体工程。金属核剪裁是指将另一种金属引入金纳米团簇，形成金合金团簇。引入另一种金属可以赋予新的催化能力并降低成本。表面配体工程是指通过微调表面化学环境来暴露更多的活性位点或改变纳米团簇的结构。最后，金纳米团簇还有其他结构优点，如尺寸超小，符合催化领域“小而贵”的原则;形态可以调整和操纵;在温和条件下的各种反应中保持完整结构的鲁棒稳定性。

“这篇综述中提出的案例清楚地表明，由于金纳米团簇与金纳米颗粒相比具有明显的优势，因此通常会表现出卓越的 HER 催化性能。然而，使用金纳米团簇进行 HER 催化确实存在挑战，”Tang 说。与金纳米团簇相关的一些常见挑战包括寻找解决方案来解决扩大这些催化剂的使用所需的金量、纳米催化剂在恶劣条件下的表现问题以及不准确的理论模型。

展望未来，研究人员正在规划纳米催化剂研究的下一步。建议的途径包括测试基于金簇的复合材料对于与 HER 耦合的其他反应的适用性，以及提高基于簇的复合催化剂的电导率。唐说：“由于合成技术和催化科学的快速发展，我们预计更多的研究工作将致力于使用原子级精确的金属纳米团簇作为各种电催化反应及其他反应的模型催化剂。”

中国广州华南理工大学新能源研究所的 Xin Zhu、Leyi Chen 和 Yonggang Liu 也对这项研究做出了贡献。

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