近日，深圳大学化学与环境工程学院何传新教授课题组在《Nature Communications》（影响因子17.694，中科院JCR 1区，Top 期刊）上发表了题为《Subnanometric Ru clusters with upshifted D band center improve performance for alkaline hydrogen evolution reaction》的研究论文。该团队胡琪副教授为第一作者，何传新教授为通讯作者，深圳大学为唯一通讯单位。

电解水被广泛认为是一种绿色、高效的制氢技术。通常情况下，电解水可以在碱性或者酸性介质中进行。虽然质子交换膜驱动的酸性电解水已经显示出了一定的优势，但是质子交换膜昂贵的价格以及酸性下阳极氧析出反应缓慢的动力学，极大地限制了酸性电解水的广泛使用。如果将酸性电解质换成碱性，上述问题可以得到缓解。然而，这也带来了一个新的问题，即在碱性介质中，阴极析氢反应(HER)的动力学明显受阻。即使采用商业铂碳催化剂，碱性环境中的HER动力学也比酸性环境中低2个数量级。因此，为了实现快速的碱性电解水，开发高效的HER电催化剂是十分有必要的。

尺寸介于单原子与纳米颗粒之间的亚纳米团簇，通常由几个到几十个金属原子组成，由于其尺寸与电子的费米波长相当，亚纳米团簇的电子结构表现为不连续的能级。而且，量子尺寸效应导致团簇的电子结构以及催化性能与单原子和纳米颗粒截然不同。此外，与纳米颗粒相比，亚纳米团簇具有更大的表面/体积比以及更高的金属利用率。因此，我们认为具有独特电子结构的亚纳米Ru簇可能同时具有较强的水解离能力以及较高的金属利用率，从而实现低成本和高效的碱性HER。但是，亚纳米金属钌簇的碱性HER活性仍有待研究。因此，我们利用微孔的空间限域并结合可控焙烧，合成了一系列超小尺寸的钌纳米粒子：从单原子钌、亚纳米钌簇到钌纳米粒子。研究发现，钌粒子的d带中心随着粒径的减小几乎呈线性的关系向上移动，而亚纳米钌簇的d带中心最接近费米能级，表现出最强的水解离能力以及最高的碱性HER活性。得益于较高的金属利用率以及优异的水解离能力，在过电势为100 mV的条件下，亚纳米钌簇的TOF值高达43.3 s^-1，是商业铂碳催化剂的36倍。

该研究成果得到国家自然科学基金联合重点项目、深圳市科技计划等项目资金支持。