这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告：
主要作者及研究机构
该研究由Rodrigo Jimenez-Sandoval、Srikanth Pedireddy、Krishna P. Katuri和Pascal E. Saikaly等人共同完成，研究机构包括沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的环境科学与工程项目以及水脱盐与再利用中心（WDRC）。研究论文发表于2023年1月11日的《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》期刊上。
学术背景
该研究的主要科学领域是纳米材料合成与电催化应用。金属纳米簇（metal nanoclusters）因其超小的尺寸（1-10纳米）和独特的物理化学性质（如大量的表面活性位点、离散的能级和独特的电子特性）在催化反应中表现出优异的性能。然而，传统的金属纳米簇合成方法通常涉及复杂的化学或物理步骤，使用有毒的配体、还原剂和溶剂，且需要高温高压条件，这些方法不仅对环境不友好，还可能降低纳米簇的催化活性。相比之下，基于生物学的合成方法（biological methods）避免了有毒化学物质的使用，符合绿色化学的原则。
研究团队利用电活性细菌（electroactive bacteria, EAB）的胞外电子传递（extracellular electron transfer, EET）能力，探索了一种可持续的金属纳米簇合成方法。特别是，他们选择了Geobacter sulfurreducens（一种具有高EET能力的细菌）作为生物模板，旨在通过控制金属前驱体浓度、投加和孵育时间，合成尺寸可控的钯（Pd）纳米簇，并将其应用于电催化水分解反应（water splitting reaction）中。
研究流程
研究流程主要包括以下几个步骤：
1. 细菌培养与处理
研究使用Geobacter sulfurreducens菌株PCA（ATCC 51573），在厌氧条件下培养3天。培养结束后，通过离心法收集细菌细胞，并测定其干重。
2. 钯纳米簇的生物合成
研究采用两种方法合成钯纳米簇：分步投加法（step-dosing regimen）和单次投加法（single-dose regimen）。在分步投加法中，首先以1% w/w的钯前驱体（Pd(NO₃)₂·2H₂O）投加，随后每20分钟投加0.5% w/w，直至达到目标浓度（2%、4%、6%或9% w/w）。单次投加法则直接将目标浓度的前驱体一次性投加。所有反应均在30°C、130 rpm的摇床中进行。
3. 纳米簇的表征
使用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对合成的钯纳米簇进行形貌、尺寸、晶体结构和化学状态的表征。
4. 电催化性能测试
将合成的钯纳米簇负载在Geobacter sulfurreducens细胞表面（Pd/GS），作为双功能电催化剂，测试其在碱性水分解反应中的性能。具体测试包括氢析出反应（HER）和氧析出反应（OER），并与商业催化剂（如10 wt% Pt/C和IrO₂）进行对比。
主要结果
1. 钯纳米簇的合成与表征
通过分步投加法成功合成了尺寸可控的钯纳米簇，尺寸范围为1.0 ± 0.6至4.8 ± 1.4纳米。HAADF-STEM和TEM图像显示，纳米簇均匀分布在细菌细胞表面，且具有高结晶性。XPS分析表明，钯纳米簇以Pd⁰、PdO和PdO₂的形式存在，其中Pd⁰为主要成分。
2. 电催化性能
Pd/GS催化剂在HER和OER中表现出优异的性能。在HER测试中，Pd/GS的过电位（η）为-600至-640 mV，优于商业Pt/C催化剂（η = -660 mV）。在OER测试中，Pd/GS的过电位为340至370 mV，与商业IrO₂催化剂（η = 326 mV）相当。此外，Pd/GS催化剂在长时间的电化学测试中表现出良好的稳定性。
结论
该研究开发了一种基于Geobacter sulfurreducens的胞外电子传递能力的钯纳米簇生物合成方法，成功实现了尺寸可控的纳米簇合成。合成的Pd/GS催化剂在碱性水分解反应中表现出优异的HER和OER性能，且具有低成本和可持续的优势。该研究为设计高效、低成本的金属纳米簇电催化剂提供了一条新的可持续路径，具有重要的科学价值和应用潜力。
研究亮点
1. 创新的合成方法：首次利用Geobacter sulfurreducens的EET能力合成尺寸可控的钯纳米簇，避免了有毒化学物质的使用。
2. 优异的电催化性能：Pd/GS催化剂在HER和OER中的性能优于或接近商业催化剂，且具有低质量负载和高稳定性的特点。
3. 可持续性：该合成方法符合绿色化学原则，为金属纳米簇的可持续合成提供了新的思路。
其他有价值的内容
研究还探讨了细菌代谢和细胞表面血红素细胞色素（heme-containing cytochromes）在纳米簇合成中的作用，进一步揭示了纳米簇形成的机制。这些发现为未来研究提供了重要的理论依据。