Global energy consumption is projected to increase, even in the face of substantial declines in energy intensity, at least 2-fold by midcentury relative to the present because of population and economic growth. This demand could be met, in principle, from fossil energy resources, particularly coal. However, the cumulative nature of CO(2) emissions in the atmosphere demands that holding atmospheric CO(2) levels to even twice their preanthropogenic values by midcentury will require invention, development, and deployment of schemes for carbon-neutral energy production on a scale commensurate with, or larger than, the entire present-day energy supply from all sources combined. Among renewable energy resources, solar energy is by far the largest exploitable resource, providing more energy in 1 hour to the earth than all of the energy consumed by humans in an entire year. In view of the intermittency of insolation, if solar energy is to be a major primary energy source, it must be stored and dispatched on demand to the end user. An especially attractive approach is to store solar-converted energy in the form of chemical bonds, i.e., in a photosynthetic process at a year-round average efficiency significantly higher than current plants or algae, to reduce land-area requirements. Scientific challenges involved with this process include schemes to capture and convert solar energy and then store the energy in the form of chemical bonds, producing oxygen from water and a reduced fuel such as hydrogen, methane, methanol, or other hydrocarbon species.

The utilization of solar energy on a large scale requires its storage. In natural photosynthesis, energy from sunlight is used to rearrange the bonds of water to oxygen and hydrogen equivalents. The realization of artificial systems that perform "water splitting" requires catalysts that produce oxygen from water without the need for excessive driving potentials. Here we report such a catalyst that forms upon the oxidative polarization of an inert indium tin oxide electrode in phosphate-buffered water containing cobalt (II) ions. A variety of analytical techniques indicates the presence of phosphate in an approximate 1:2 ratio with cobalt in this material. The pH dependence of the catalytic activity also implicates the hydrogen phosphate ion as the proton acceptor in the oxygen-producing reaction. This catalyst not only forms in situ from earth-abundant materials but also operates in neutral water under ambient conditions.

An artificial water-splitting system was built using abundant materials and sunlight.

To convert the energy of sunlight into chemical energy, the leaf splits water via the photosynthetic process to produce molecular oxygen and hydrogen, which is in a form of separated protons and electrons. The primary steps of natural photosynthesis involve the absorption of sunlight and its conversion into spatially separated electron–hole pairs. The holes of this wireless current are captured by the oxygen evolving complex (OEC) of photosystem II (PSII) to oxidize water to oxygen. The electrons and protons produced as a byproduct of the OEC reaction are captured by ferrodoxin of photosystem I. With the aid of ferrodoxin–NADP+ reductase, they are used to produce hydrogen in the form of NADPH. For a synthetic material to realize the solar energy conversion function of the leaf, the light-absorbing material must capture a solar photon to generate a wireless current that is harnessed by catalysts, which drive the four electron/hole fuel-forming water-splitting reaction under benign conditions and under 1 sun (100 mW/cm2) illumination.This Account describes the construction of an artificial leaf comprising earth-abundant elements by interfacing a triple junction, amorphous silicon photovoltaic with hydrogen- and oxygen-evolving catalysts made from a ternary alloy (NiMoZn) and a cobalt–phosphate cluster (Co-OEC), respectively. The latter captures the structural and functional attributes of the PSII-OEC. Similar to the PSII-OEC, the Co-OEC self-assembles upon oxidation of an earth-abundant metal ion from 2+ to 3+, may operate in natural water at room temperature, and is self-healing. The Co-OEC also activates H2O by a proton-coupled electron transfer mechanism in which the Co-OEC is increased by four hole equivalents akin to the S-state pumping of the Kok cycle of PSII. X-ray absorption spectroscopy studies have established that the Co-OEC is a structural relative of Mn3CaO4–Mn cubane of the PSII-OEC, where Co replaces Mn and the cubane is extended in a corner-sharing, head-to-tail dimer.The ability to perform the oxygen-evolving reaction in water at neutral or near-neutral conditions has several consequences for the construction of the artificial leaf. The NiMoZn alloy may be used in place of Pt to generate hydrogen. To stabilize silicon in water, its surface is coated with a conducting metal oxide onto which the Co-OEC may be deposited. The net result is that immersing a triple-junction Si wafer coated with NiMoZn and Co-OEC in water and holding it up to sunlight can effect direct solar energy conversion via water splitting. By constructing a simple, stand-alone device composed of earth-abundant materials, the artificial leaf provides a means for an inexpensive and highly distributed solar-to-fuels system that employs low-cost systems engineering and manufacturing. Through this type of system, solar energy can become a viable energy supply to those in the non-legacy world.

The mechanism of the oxygen evolution reaction (OER) by catalysts prepared by electrodepositions from Co(2+) solutions in phosphate electrolytes (Co-Pi) was studied at neutral pH by electrokinetic and (18)O isotope experiments. Low-potential electrodepositions enabled the controlled preparation of ultrathin Co-Pi catalyst films (<100 nm) that could be studied kinetically in the absence of mass transport and charge transport limitations to the OER. The Co-Pi catalysts exhibit a Tafel slope approximately equal to 2.3 × RT/F for the production of oxygen from water in neutral solutions. The electrochemical rate law exhibits an inverse first order dependence on proton activity and a zeroth order dependence on phosphate for [Pi] ≥ 0.03 M. In the absence of phosphate buffer, the Tafel slope is increased ∼3-fold and the overall activity is greatly diminished. Together, these electrokinetic studies suggest a mechanism involving a rapid, one electron, one proton equilibrium between Co(III)-OH and Co(IV)-O in which a phosphate species is the proton acceptor, followed by a chemical turnover-limiting process involving oxygen-oxygen bond coupling.

Neutron scattering measurements on single-crystal samples of the mineral herbertsmithite, which is a spin-1/2 kagome-lattice antiferromagnet, provide evidence of fractionalized spin excitations at low temperatures, indicating that the ground state of herbertsmithite may be a quantum spin liquid. Quantum spin liquids are exotic states of matter with atomic magnetic moments that are highly correlated but resist ordering even when cooled to absolute zero. They display remarkable collective behaviour, of potential relevance for understanding high Tc superconductivity, and host exotic excitations with fractional quantum numbers. On the downside, conclusive evidence for their existence is still missing. Tian-Heng Han et al. now report an exciting result from neutron scattering measurements on large single crystals of 'herbertsmithite', a two-dimensional frustrated antiferromagnet. Specifically, they observe the emergence of fractional spin excitations at low temperature, which is a hallmark signature of quantum spin liquids. Fractional spin excitations have so far only been seen in one-dimensional systems. The experimental realization of quantum spin liquids is a long-sought goal in physics, as they represent new states of matter. Quantum spin liquids cannot be described by the broken symmetries associated with conventional ground states. In fact, the interacting magnetic moments in these systems do not order, but are highly entangled with one another over long ranges1. Spin liquids have a prominent role in theories describing high-transition-temperature superconductors2,3, and the topological properties of these states may have applications in quantum information4. A key feature of spin liquids is that they support exotic spin excitations carrying fractional quantum numbers. However, detailed measurements of these ‘fractionalized excitations’ have been lacking. Here we report neutron scattering measurements on single-crystal samples of the spin-1/2 kagome-lattice antiferromagnet ZnCu3(OD)6Cl2 (also called herbertsmithite), which provide striking evidence for this characteristic feature of spin liquids. At low temperatures, we find that the spin excitations form a continuum, in contrast to the conventional spin waves expected in ordered antiferromagnets. The observation of such a continuum is noteworthy because, so far, this signature of fractional spin excitations has been observed only in one-dimensional systems. The results also serve as a hallmark of the quantum spin-liquid state in herbertsmithite.

Artificial photosynthetic systems can store solar energy and chemically reduce CO2. We developed a hybrid water splitting–biosynthetic system based on a biocompatible Earth-abundant inorganic catalyst system to split water into molecular hydrogen and oxygen (H2 and O2) at low driving voltages. When grown in contact with these catalysts, Ralstonia eutropha consumed the produced H2 to synthesize biomass and fuels or chemical products from low CO2 concentration in the presence of O2. This scalable system has a CO2 reduction energy efficiency of ~50% when producing bacterial biomass and liquid fusel alcohols, scrubbing 180 grams of CO2 per kilowatt-hour of electricity. Coupling this hybrid device to existing photovoltaic systems would yield a CO2 reduction energy efficiency of ~10%, exceeding that of natural photosynthetic systems.

We have performed thermodynamic and neutron scattering measurements on the S=1/2 kagome lattice antiferromagnet Zn Cu_3 (OH)_6 Cl_2. The susceptibility indicates a Curie-Weiss temperature of ~ -300 K; however, no magnetic order is observed down to 50 mK. Inelastic neutron scattering reveals a spectrum of low energy spin excitations with no observable gap down to 0.1 meV. The specific heat at low-T follows a power law with exponent less than or equal to 1. These results suggest that an unusual spin-liquid state with essentially gapless excitations is realized in this kagome lattice system.

Thin catalyst films with electrocatalytic water oxidation properties similar to those of a recently reported Co-based catalyst can be electrodeposited from dilute Ni(2+) solutions in borate electrolyte at pH 9.2 (B(i)). The Ni-B(i) films can be prepared with precise thickness control and operate at modest overpotential providing an alternative to the Co catalyst for applications in solar energy conversion.

A water oxidation catalyst generated via electrodeposition from aqueous solutions containing phosphate and Co2+ (Co−Pi) has been studied by in situ X-ray absorption spectroscopy. Spectra were obtained for Co−Pi films of two different thicknesses at an applied potential supporting water oxidation catalysis and at open circuit. Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectra indicate the presence of bis-oxo/hydroxo-bridged Co subunits incorporated into higher nuclearity clusters in Co−Pi. The average cluster nuclearity is greater in a relatively thick film (∼40−50 nmol Co ions/cm2) deposited at 1.25 V vs NHE than in an extremely thin film (∼3 nmol Co ions/cm2) deposited at 1.1 V. X-ray absorption near edge structure (XANES) spectra and electrochemical data support a Co valency greater than 3 for both Co−Pi samples when catalyzing water oxidation at 1.25 V. Upon switching to open circuit, Co−Pi undergoes a continuous reduction due to residual water oxidation catalysis, as indicated by the negative shift of the edge energy. The rate of reduction depends on the average cluster size. On the basis of structural parameters extracted from fits to the EXAFS data of Co−Pi with two different thicknesses and comparisons with EXAFS spectra of Co oxide compounds, a model is proposed wherein the Co oxo/hydroxo clusters of Co−Pi are composed of edge-sharing CoO6 octahedra, the structural motif found in cobaltates. Whereas cobaltates contain extended planes of CoO6 octahedra, the Co−Pi clusters are of molecular dimensions.