Abstract Supported metal nanoparticles are the most widely investigated heterogeneous catalysts in catalysis community. The size of metal nanostructures is an important parameter in influencing the activity of constructed catalysts. Especially, as coordination unsaturated metal atoms always work as the catalytically active centers, decreasing the particle size of the catalyst can greatly boost the specific activity per metal atom. Single‐atom catalysts (SACs), containing single metal atoms anchored on supports, represent the utmost utilization of metallic catalysts and thus maximize the usage efficiency of metal atom. However, with the decreasing of particle size, the surface free energy increases obviously, and tends to aggregate into clusters or particles. Selection of an appropriate support is necessary to interact with isolated atoms strongly, and thus prevents the movement and aggregation of isolated atoms, creating stable, finely dispersed active sites. Furthermore, with uniform single‐atom dispersion and well‐defined configuration, SACs afford great space for optimizing high selectivity and activity. In this review, a detailed discussion of preparing, characterizing, and catalytically testing within this family is provided, including the theoretical understanding of key aspects of SACs materials. The main advantages of SACs as catalysts and the challenges faced for further improving catalytic performance are also highlighted.

Modular optimization of metal-organic frameworks (MOFs) was realized by incorporation of coordinatively unsaturated single atoms in a MOF matrix. The newly developed MOF can selectively capture and photoreduce CO2 with high efficiency under visible-light irradiation. Mechanistic investigation reveals that the presence of single Co atoms in the MOF can greatly boost the electron-hole separation efficiency in porphyrin units. Directional migration of photogenerated excitons from porphyrin to catalytic Co centers was witnessed, thereby achieving supply of long-lived electrons for the reduction of CO2 molecules adsorbed on Co centers. As a direct result, porphyrin MOF comprising atomically dispersed catalytic centers exhibits significantly enhanced photocatalytic conversion of CO2 , which is equivalent to a 3.13-fold improvement in CO evolution rate (200.6 μmol g-1 h-1 ) and a 5.93-fold enhancement in CH4 generation rate (36.67 μmol g-1 h-1 ) compared to the parent MOF.

Graphitic carbon nitride (g‐C 3 N 4 ) has recently emerged as an attractive photocatalyst for solar energy conversion. However, the photocatalytic activities of g‐C 3 N 4 remain moderate because of the insufficient solar‐light absorption and the fast electron–hole recombination. Here, defect‐modified g‐C 3 N 4 (DCN) photocatalysts, which are easily prepared under mild conditions and show much extended light absorption with band gaps decreased from 2.75 to 2.00 eV, are reported. More importantly, cyano terminal CN groups, acting as electron acceptors, are introduced into the DCN sheet edge, which endows the DCN with both n‐ and p‐type conductivities, consequently giving rise to the generation of p–n homojunctions. This homojunction structure is demonstrated to be highly efficient in charge transfer and separation, and results in a fivefold enhanced photocatalytic H 2 evolution activity. The findings deepen the understanding on the defect‐related issues of g‐C 3 N 4 ‐based materials. Additionally, the ability to build homojunction structures by the defect‐induced self‐functionalization presents a promising strategy to realize precise band engineering of g‐C 3 N 4 and related polymer semiconductors for more efficient solar energy conversion applications.

Through a facile and effective strategy by employing lithium molten salts the controlled synthesis of 2H- and 1T-MoS2 monolayers with high-yield production is achieved. Both phases of MoS2 monolayers exhibit high stabilities. When used as a catalyst for hydrogen evolution, these phased MoS2 monolayers deliver respective advantages in the field of electro- and photo-catalytic hydrogen evolution. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to 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.

Low efficiency and poor stability are two major challenges we encounter in the exploration of non-noble metal electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) in both acidic and alkaline environment. Herein, the hybrid of cobalt encapsulated by N, B codoped ultrathin carbon cages (Co@BCN) is first introduced as a highly active and durable nonprecious metal electrocatalysts for HER, which is constructed by a bottom-up approach using metal organic frameworks (MOFs) as precursor and self-sacrificing template. The optimized catalyst exhibited remarkable electrocatalytic performance for hydrogen production from both both acidic and alkaline media. Stability investigation reveals the overcoating of carbon cages can effectively avoid the corrosion and oxidation of the catalyst under extreme acidic and alkaline environment. Electrochemical active surface area (EASA) evaluation and density functional theory (DFT) calculations revealed that the synergetic effect between the encapsulated cobalt nanoparticle and the N, B codoped carbon shell played the fundamental role in the superior HER catalytic performance.

Water splitting represents a promising technology for renewable energy conversion and storage, but it is greatly hindered by the kinetically sluggish oxygen evolution reaction (OER). Here, using Au-nanoparticle-decorated Ni(OH)2 nanosheets [Ni(OH)2-Au] as catalysts, we demonstrate that the photon-induced surface plasmon resonance (SPR) excitation on Au nanoparticles could significantly activate the OER catalysis, specifically achieving a more than 4-fold enhanced activity and meanwhile affording a markedly decreased overpotential of 270 mV at the current density of 10 mA cm(-2) and a small Tafel slope of 35 mV dec(-1) (no iR-correction), which is much better than those of the benchmark IrO2 and RuO2, as well as most Ni-based OER catalysts reported to date. The synergy of the enhanced generation of Ni(III/IV) active species and the improved charge transfer, both induced by hot-electron excitation on Au nanoparticles, is proposed to account for such a markedly increased activity. The SPR-enhanced OER catalysis could also be observed over cobalt oxide (CoO)-Au and iron oxy-hydroxide (FeOOH)-Au catalysts, suggesting the generality of this strategy. These findings highlight the possibility of activating OER catalysis by plasmonic excitation and could open new avenues toward the design of more-energy-efficient catalytic water oxidation systems with the assistance of light energy.

Advanced MaterialsVolume 28, Issue 19 p. 3703-3710 Communication Surface-Plasmon-Enhanced Photodriven CO2 Reduction Catalyzed by Metal–Organic-Framework-Derived Iron Nanoparticles Encapsulated by Ultrathin Carbon Layers Huabin Zhang, Huabin Zhang Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorTao Wang, Tao Wang Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorJunjie Wang, Junjie Wang Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorHuimin Liu, Huimin Liu Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorThang Duy Dao, Thang Duy Dao Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 Japan CREST, Japan Science and Technology Agency (JST), 4-1-18 Honcho, Kawaguchi, Saitama, 332-0012 JapanSearch for more papers by this authorMu Li, Mu Li Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorGuigao Liu, Guigao Liu Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorXianguang Meng, Xianguang Meng Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorKun Chang, Kun Chang Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorLi Shi, Li Shi Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorTadaaki Nagao, Tadaaki Nagao Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 Japan CREST, Japan Science and Technology Agency (JST), 4-1-18 Honcho, Kawaguchi, Saitama, 332-0012 JapanSearch for more papers by this authorJinhua Ye, Corresponding Author Jinhua Ye Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 Japan TU-NIMS Joint Research Center, School of Material Science and Engineering, Tianjin University, 92 Weijin Road, Nankai District, Tianjin, 300072 P. R. China Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, (Tianjin), Tianjin, 300072 P. R. China Key Lab of Advanced Ceramics and Machining Technology, Ministry of Eduction, Tianjin, 300072 P. R. ChinaE-mail: jinhua.ye@nims.go.jpSearch for more papers by this author Huabin Zhang, Huabin Zhang Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorTao Wang, Tao Wang Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorJunjie Wang, Junjie Wang Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorHuimin Liu, Huimin Liu Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorThang Duy Dao, Thang Duy Dao Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 Japan CREST, Japan Science and Technology Agency (JST), 4-1-18 Honcho, Kawaguchi, Saitama, 332-0012 JapanSearch for more papers by this authorMu Li, Mu Li Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorGuigao Liu, Guigao Liu Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorXianguang Meng, Xianguang Meng Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorKun Chang, Kun Chang Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorLi Shi, Li Shi Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 JapanSearch for more papers by this authorTadaaki Nagao, Tadaaki Nagao Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 Japan CREST, Japan Science and Technology Agency (JST), 4-1-18 Honcho, Kawaguchi, Saitama, 332-0012 JapanSearch for more papers by this authorJinhua Ye, Corresponding Author Jinhua Ye Environmental Remediation Materials Unitand International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 Japan TU-NIMS Joint Research Center, School of Material Science and Engineering, Tianjin University, 92 Weijin Road, Nankai District, Tianjin, 300072 P. R. China Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, (Tianjin), Tianjin, 300072 P. R. China Key Lab of Advanced Ceramics and Machining Technology, Ministry of Eduction, Tianjin, 300072 P. R. ChinaE-mail: jinhua.ye@nims.go.jpSearch for more papers by this author First published: 22 March 2016 https://doi.org/10.1002/adma.201505187Citations: 250Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onFacebookTwitterLinkedInRedditWechat Graphical Abstract Highly efficient utilization of solar light with an excellent reduction capacity is achieved for plasmonic Fe@C nanostructures. By carbon layer coating, the optimized catalyst exhibits enhanced selectivity and stability applied to the solar-driven reduction of CO2 into CO. The surface-plasmon effect of iron particles is proposed to excite CO2 molecules, and thereby facilitates the final reaction activity. Citing Literature Supporting Information As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Filename Description adma201505187-sup-0001-S1.pdf3 MB Supplementary 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. Volume28, Issue19May 18, 2016Pages 3703-3710 RelatedInformation

Inspired by the crucial roles of phosphates in natural photosynthesis, we explored an environmental "phosphorylation" strategy for boosting photocatalytic H2 production over g-C3N4 nanosheets under visible light. As expected, a substantial improvement was observed in the rate of H2 evolution to 947 μmol h(-1), and the apparent quantum yield was as high as 26.1% at 420 nm. The synergy of enhanced proton reduction and improved hole oxidation is proposed to account for the markedly increased activity. Our findings may provide a promising and facile approach to highly efficient photocatalysis for solar-energy conversion.

The crystal phase of metal nanocatalysts significantly affects their catalytic performance. Cu-based nanomaterials are unique electrocatalysts for CO2 reduction reaction (CO2RR) to produce high-value hydrocarbons. However, studies to date are limited to the conventional face-centered cubic (fcc) Cu. Here, we report a crystal phase-dependent catalytic behavior of Cu, after the successful synthesis of high-purity 4H Cu and heterophase 4H/fcc Cu using the 4H and 4H/fcc Au as templates, respectively. Remarkably, the obtained unconventional crystal structures of Cu exhibit enhanced overall activity and higher ethylene (C2H4) selectivity in CO2RR compared to the fcc Cu. Density functional theory calculations suggest that the 4H phase and 4H/fcc interface of Cu favor the C2H4 formation pathway compared to the fcc Cu, leading to the crystal phase-dependent C2H4 selectivity. This study demonstrates the importance of crystal phase engineering of metal nanocatalysts for electrocatalytic reactions, offering a new strategy to prepare novel catalysts with unconventional phases for various applications.