Doping of graphene with nitrogen imparted bifunctional electrocatalytic activities for efficient energy conversion and storage.

The Fenton-like process presents one of the most promising strategies to generate reactive oxygen-containing radicals to deal with the ever-growing environmental pollution. However, developing improved catalysts with adequate activity and stability is still a long-term goal for practical application. Herein, we demonstrate single cobalt atoms anchored on porous N-doped graphene with dual reaction sites as highly reactive and stable Fenton-like catalysts for efficient catalytic oxidation of recalcitrant organics via activation of peroxymonosulfate (PMS). Our experiments and density functional theory (DFT) calculations show that the CoN4 site with a single Co atom serves as the active site with optimal binding energy for PMS activation, while the adjacent pyrrolic N site adsorbs organic molecules. The dual reaction sites greatly reduce the migration distance of the active singlet oxygen produced from PMS activation and thus improve the Fenton-like catalytic performance.

Spinel Co3O4, comprising two types of cobalt ions: one Co(2+) in the tetrahedral site (Co(2+)(Td)) and the other two Co(3+) in the octahedral site (Co(3+)(Oh)), has been widely explored as a promising oxygen evolution reaction (OER) catalyst for water electrolysis. However, the roles of two geometrical cobalt ions toward the OER have remained elusive. Here, we investigated the geometrical-site-dependent OER activity of Co3O4 catalyst by substituting Co(2+)(Td) and Co(3+)(Oh) with inactive Zn(2+) and Al(3+), respectively. Following a thorough in operando analysis by electrochemical impedance spectroscopy and X-ray absorption spectroscopy, it was revealed that Co(2+)Td site is responsible for the formation of cobalt oxyhydroxide (CoOOH), which acted as the active site for water oxidation.

Artificial photosynthesis, the biomimetic approach to converting sunlight's energy directly into chemical fuels, aims to imitate nature by using an integrated system of nanostructures, each of which plays a specific role in the sunlight-to-fuel conversion process. Here we describe a fully integrated system of nanoscale photoelectrodes assembled from inorganic nanowires for direct solar water splitting. Similar to the photosynthetic system in a chloroplast, the artificial photosynthetic system comprises two semiconductor light absorbers with large surface area, an interfacial layer for charge transport, and spatially separated cocatalysts to facilitate the water reduction and oxidation. Under simulated sunlight, a 0.12% solar-to-fuel conversion efficiency is achieved, which is comparable to that of natural photosynthesis. The result demonstrates the possibility of integrating material components into a functional system that mimics the nanoscopic integration in chloroplasts. It also provides a conceptual blueprint of modular design that allows incorporation of newly discovered components for improved performance.

Aqueous battery systems feature high safety, but they usually suffer from low voltage and low energy density, restricting their applications in large-scale storage. Here, we propose an electrolyte-decoupling strategy to maximize the full potential of Zn–MnO2 batteries by simultaneously enabling the optimal redox chemistry of both the Zn and MnO2 electrodes. The decoupled Zn–MnO2 battery exhibits an open-circuit voltage of 2.83 V (in contrast to the typical voltage of 1.5 V in conventional Zn–MnO2 batteries), as well as cyclability with only 2% capacity fading after deep cycling for 200 h. Benefiting from the full utilization of MnO2, the Zn–MnO2 battery is also able to maintain approximately 100% of its capacity at various discharge current densities. We also demonstrate the feasibility of integrating the Zn–MnO2 battery with a wind and photovoltaic hybrid power generating system. This electrolyte-decoupling strategy is shown to be applicable for other high-performance zinc-based aqueous batteries such as Zn–Cu and Zn–Ag batteries. Low energy density and limited cyclability are preventing the commercialization of aqueous Zn–MnO2 batteries. Here, the authors combine the merits of operating Zn anodes in alkaline conditions and MnO2 cathodes in acidic conditions, via an electrolyte-decoupling strategy, to realize high-performance batteries.

Summary

 The electrochemical oxygen reduction reaction in acidic media offers an attractive route for direct hydrogen peroxide (H₂O₂) generation and on-site applications. Unfortunately there is still a lack of cost-effective electrocatalysts with high catalytic performance. Here, we theoretically designed and experimentally demonstrated that a cobalt single-atom catalyst (Co SAC) anchored in nitrogen-doped graphene, with optimized adsorption energy of the *OOH intermediate, exhibited a high H₂O₂ production rate, which even slightly outperformed the state-of-the-art noble-metal-based electrocatalysts. The kinetic current of H₂O₂ production over Co SAC could reach 1 mA/cmdisk2 at 0.6 V versus reversible hydrogen electrode in 0.1 M HClO₄ with H₂O₂ faraday efficiency > 90%, and these performance measures could be sustained for 10 h without decay. Further kinetic analysis and operando X-ray absorption study combined with density functional theory (DFT) calculation demonstrated that the nitrogen-coordinated single Co atom was the active site and the reaction was rate-limited by the first electron transfer step.

A flexible cloth-like electrode, which can efficiently split water to produce H 2 at neutral pH, is successfully demonstrated.

Efficient and earth abundant electrocatalysts for high‐performance oxygen evolution reaction (OER) are essential for the development of sustainable energy conversion technologies. Here, a new hierarchical Ni–Co oxide nanostructure, composed of small secondary nanosheets grown on primary nanosheet arrays, is synthesized via a topotactic transformation of Ni–Co layered double hydroxide. The Ni 3+ ‐rich surface benefits the formation of NiOOH, which is the main redox site as revealed via in situ X‐ray absorption near edge structure and extended X‐ray absorption fine structure spectroscopy. The Ni–Co oxide hierarchical nanosheets (NCO–HNSs) deliver a stable current density of 10 mA cm −2 at an overpotential of ≈0.34 V for OER with a Tafel slope of as low as 51 mV dec −1 in alkaline media. The improvement in the OER activity can be ascribed to the synergy of large surface area offered by the 3D hierarchical nanostructure and the facile formation of NiOOH as the main active sites on the surface of NCO–HNSs to decrease the overpotential and facilitate the catalytic reaction.