Outstanding magnetic properties are highly desired for two-dimensional ultrathin semiconductor nanosheets. Here, we propose a phase incorporation strategy to induce robust room-temperature ferromagnetism in a nonmagnetic MoS2 semiconductor. A two-step hydrothermal method was used to intentionally introduce sulfur vacancies in a 2H-MoS2 ultrathin nanosheet host, which prompts the transformation of the surrounding 2H-MoS2 local lattice into a trigonal (1T-MoS2) phase. 25% 1T-MoS2 phase incorporation in 2H-MoS2 nanosheets can enhance the electron carrier concentration by an order, introduce a Mo4+ 4d energy state within the bandgap, and create a robust intrinsic ferromagnetic response of 0.25 μB/Mo by the exchange interactions between sulfur vacancy and the Mo4+ 4d bandgap state at room temperature. This design opens up new possibility for effective manipulation of exchange interactions in two-dimensional nanostructures.

Direct and efficient photocatalytic water splitting is critical for sustainable conversion and storage of renewable solar energy. Here, we propose a conceptual design of two-dimensional C3N4-based in-plane heterostructure to achieve fast spatial transfer of photoexcited electrons for realizing highly efficient and spontaneous overall water splitting. This unique plane heterostructural carbon ring (Cring)–C3N4 nanosheet can synchronously expedite electron–hole pair separation and promote photoelectron transport through the local in-plane π-conjugated electric field, synergistically elongating the photocarrier diffusion length and lifetime by 10 times relative to those achieved with pristine g-C3N4. As a result, the in-plane (Cring)–C3N4 heterostructure could efficiently split pure water under light irradiation with prominent H2 production rate up to 371 μmol g–1 h–1 and a notable quantum yield of 5% at 420 nm.

Endowing transition-metal oxide electrocatalysts with high water oxidation activity is greatly desired for production of clean and sustainable chemical fuels. Here, we present an atomically thin cobalt oxyhydroxide (γ-CoOOH) nanosheet as an efficient electrocatalyst for water oxidation. The 1.4 nm thick γ-CoOOH nanosheet electrocatalyst can effectively oxidize water with extraordinarily large mass activities of 66.6 A g(-1), 20 times higher than that of γ-CoOOH bulk and 2.4 times higher than that of the benchmarking IrO2 electrocatalyst. Experimental characterizations and first-principles calculations provide solid evidence to the half-metallic nature of the as-prepared nanosheets with local structure distortion of the surface CoO(6-x) octahedron. This greatly enhances the electrophilicity of H2O and facilitates the interfacial electron transfer between Co ions and adsorbed -OOH species to form O2, resulting in the high electrocatalytic activity of layered CoOOH for water oxidation.

Manipulation at the atomic level: Freestanding SnS2 single-layers with three atom thickness were synthesized through an exfoliation strategy (see picture). The SnS2 single-layers have an increased density of states at the valence band edge. A photoelectrode made from this material shows a visible-light conversion efficiency of 38.7 % that is superior to most existing reports. Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Abstract Supported metal clusters containing only a few atoms are of great interest. Progress has been made in synthesis of metal single-atom catalysts. However, precise synthesis of metal dimers on high-surface area support remains a grand challenge. Here, we show that Pt 2 dimers can be fabricated with a bottom–up approach on graphene using atomic layer deposition, through proper nucleation sites creation, Pt 1 single-atom deposition and attaching a secondary Pt atom selectively on the preliminary one. Scanning transmission electron microscopy, x-ray absorption spectroscopy, and theoretical calculations suggest that the Pt 2 dimers are likely in the oxidized form of Pt 2 O x . In hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane, Pt 2 dimers exhibit a high specific rate of 2800 mol H2 mol Pt −1 min −1 at room temperature, ~17- and 45-fold higher than graphene supported Pt single atoms and nanoparticles, respectively. These findings open an avenue to bottom–up fabrication of supported atomically precise ultrafine metal clusters for practical applications.

Developing an active and stable metal single-atom catalyst (SAC) is challenging due to the high surface free energy of metal atoms. In this work, we report that tailoring of the 5d state of Pt1 single atoms on Co3O4 through strong electronic metal-support interactions (EMSIs) boosts the activity up to 68-fold higher than those on other supports in dehydrogenation of ammonia borane for room-temperature hydrogen generation. More importantly, this catalyst also exhibits excellent stability against sintering and leaching, in sharp contrast to the rapid deactivation observed on other Pt single-atom and nanoparticle catalysts. Detailed spectroscopic characterization and theoretical calculations revealed that the EMSI tailors the unoccupied 5d state of Pt1 single atoms, which modulates the adsorption of ammonia borane and facilities hydrogen desorption, thus leading to the high activity. Such extraordinary electronic promotion was further demonstrated on Pd1/Co3O4 and in hydrogenation reactions, providing a new promising way to design advanced SACs with high activity and stability.

Inorganic graphene analogues (IGAs) are a conceptually new class of materials with attractive applications in next-generation flexible and transparent nanodevices. However, their species are only limited to layered compounds, and the difficulty in extension to non-layered compounds hampers their widespread applicability. Here we report the fabrication of large-area freestanding single layers of non-layered ZnSe with four-atomic thickness, using a strategy involving a lamellar hybrid intermediate. Their surface distortion, revealed by means of synchrotron radiation X-ray absorption fine structure spectroscopy, is shown to give rise to a unique electronic structure and an excellent structural stability, thus determining an enhanced solar water splitting efficiency and photostability. The ZnSe single layers exhibit a photocurrent density of 2.14 mA cm(-2) at 0.72 V versus Ag/AgCl under 300 W Xe lamp irradiation, 195 times higher than that of bulk counterpart. This work opens the door for extending atomically thick IGAs to non-layered compounds and holds promise for a wealth of innovative applications.

Finding ideal material models for studying the role of catalytic active sites remains a great challenge. Here we propose pits confined in an atomically thin sheet as a platform to evaluate carbon monoxide catalytic oxidation at various sites. The artificial three-atomic-layer thin cerium(IV) oxide sheet with approximately 20% pits occupancy possesses abundant pit-surrounding cerium sites having average coordination numbers of 4.6 as revealed by X-ray absorption spectroscopy. Density-functional calculations disclose that the four- and five-fold coordinated pit-surrounding cerium sites assume their respective role in carbon monoxide adsorption and oxygen activation, which lowers the activation barrier and avoids catalytic poisoning. Moreover, the presence of coordination-unsaturated cerium sites increases the carrier density and facilitates carbon monoxide diffusion along the two-dimensional conducting channels of surface pits. The atomically thin sheet with surface-confined pits exhibits lower apparent activation energy than the bulk material (61.7 versus 122.9 kJ mol−1), leading to reduced conversion temperature and enhanced carbon monoxide catalytic ability. Catalytic carbon monoxide oxidation is an industrially important process. Here, the authors show that ultrathin cerium(IV) oxide with surface confined pits provides an ideal platform for investigating and optimizing the role of local atomic structure on carbon monoxide adsorption and oxygen activation.

Thermoelectric materials can realize significant energy savings by generating electricity from untapped waste heat. However, the coupling of the thermoelectric parameters unfortunately limits their efficiency and practical applications. Here, a single-layer-based (SLB) composite fabricated from atomically thick single layers was proposed to optimize the thermoelectric parameters fully. Freestanding five-atom-thick Bi2Se3 single layers were first synthesized via a scalable interaction/exfoliation strategy. As revealed by X-ray absorption fine structure spectroscopy and first-principles calculations, surface distortion gives them excellent structural stability and a much increased density of states, resulting in a 2-fold higher electrical conductivity relative to the bulk material. Also, the surface disorder and numerous interfaces in the Bi2Se3 SLB composite allow for effective phonon scattering and decreased thermal conductivity, while the 2D electron gas and energy filtering effect increase the Seebeck coefficient, resulting in an 8-fold higher figure of merit (ZT) relative to the bulk material. This work develops a facile strategy for synthesizing atomically thick single layers and demonstrates their superior ability to optimize the thermoelectric energy harvesting.