2026 年 10 月 28 日
韩国先进科学技术学院 (KAIST)
为降低绿色氢能源的生产成本，核心挑战在于如何以更少的昂贵贵金属实现高效的氢气生产。近日，由韩国先进科学技术学院（KAIST）化学和生物分子工程系 Jinwoo Lee 教授领导的研究团队开发了一种新型催化剂。该催化剂通过将三到四个钌（Ru）原子聚集在一起形成“原子层邻居”结构，使其能够协同工作。
测试结果显示，这种基于钌的催化剂在氢气生产性能上与商业铂（Pt）催化剂相当，但贵金属用量仅为后者的四分之一。这一突破有望显著降低水电解制氢的成本。
这项研究发表于《自然通讯》杂志，合作机构包括 KAIST 化学系的俊金教授、康库克大学的 Professor 永李教授、韩国基础科学研究所 (KBSI) 的 Joonhee Moon 以及韩国化学技术研究所 (KRICT) 的俊金博士。
现有技术的瓶颈：聚合与孤立原子的局限
水电解利用电力将水分解为氢气和氧气。当使用太阳能或风能等可再生能源供电时，可实现低碳排放的“绿色”制氢。然而，传统反应催化剂依赖昂贵的贵金属，如何在保持高性能的同时减少贵金属用量，一直是行业难题。
传统的贵金属纳米粒子催化剂中，大量原子聚集成团，导致内部原子无法参与反应，仅表面少量原子被有效利用。为解决这一问题，研究人员曾转向“单原子催化剂”，即将单个金属原子分散在载体上。但这种孤立排列限制了需要多个原子协同工作的反应效率。
创新方案：“原子层邻居”结构
研究团队提出了一种折中方案，旨在最大化每个原子的利用率，同时确保邻近原子能协同作用。他们创建了“原子层邻居”（Atom Layer Neighbors, ALN），即由三到四个钌原子组成的簇，排列在一个原子厚度的单层结构中。这种结构使原子距离足够近以进行协作，又不会形成大颗粒。
维持这种特殊排列依赖于特定的支撑基底材料。在合成初期，研究人员利用分子相互作用防止原子聚合成大颗粒；随后通过热处理，利用强大的金属-支撑体相互作用将原子固定在碳化物 (WCx) 载体上。团队还调整了每组原子的数量，以确定制氢的最优结构。
此外，研究人员优化了活性原子周围的局部环境。载体表面的羟基物种 (OH) 增强了水分子间的键网络，促进了质子（离子）的快速转移。通过控制催化活性原子的排列及其与水分子的相互作用，团队确保了反应的高效进行。
性能对比：用 75% 更少的贵金属达到铂金级效果
在阴离子交换膜水电解器 (AEMWE) 电池中的测试表明，该催化剂在 2.0 伏 (V) 电压和 80°C 温度下，达到了每平方厘米 9.82 安培 (A/cm²) 的电流密度。电流密度是衡量单位电极面积产率的关键指标。
数据显示，这种钌基催化剂的性能可与商业铂催化剂相提并论，但贵金属用量减少了 75%。其单位质量贵金属的催化活性约为铂催化剂的四倍。
在耐久性方面，经过 500 小时的连续运行测试，该催化剂的性能损失约为对比使用的铂催化剂的一半。这表明它不仅能用少量贵金属提供高性能，还能在长时间运行中保持稳定性。
展望：规模化验证是关键
这一发现有助于减少氢气生产设备中的贵金属依赖，并降低催化剂更换和维护成本。若能在更大规模和更长运行时间内验证其性能，该技术将切实推动绿色制氢成本的下降。
该研究第一作者 Seongbeen Kim 教授表示：“在这项研究中，我们将贵金属原子聚集成小团簇，并优化了周围环境的水反应，使得少量贵金属能够有效且持续地产生氢气。”他补充道，团队希望这些成果能指导其他催化剂的改进，进一步减少氢气生产中贵金属的使用。
参考文献：
Seongbeen Kim 等人，通过水电解剂的分子和金属支相互作用稳定 atom 原子层邻居，自然通讯 (2026 年)。DOI: 10.1038/s41467-026-78037-3
