Hexagonal boron nitride (h-BN), a layered material similar to graphite, is a promising dielectric. Monolayer h-BN, so-called "white graphene", has been isolated from bulk BN and could be useful as a complementary two-dimensional dielectric substrate for graphene electronics. Here we report the large area synthesis of h-BN films consisting of two to five atomic layers, using chemical vapor deposition. These atomic films show a large optical energy band gap of 5.5 eV and are highly transparent over a broad wavelength range. The mechanical properties of the h-BN films, measured by nanoindentation, show 2D elastic modulus in the range of 200−500 N/m, which is corroborated by corresponding theoretical calculations.

Graphene quantum dots (GQDs), which are edge-bound nanometer-size graphene pieces, have fascinating optical and electronic properties. These have been synthesized either by nanolithography or from starting materials such as graphene oxide (GO) by the chemical breakdown of their extended planar structure, both of which are multistep tedious processes. Here, we report that during the acid treatment and chemical exfoliation of traditional pitch-based carbon fibers, that are both cheap and commercially available, the stacked graphitic submicrometer domains of the fibers are easily broken down, leading to the creation of GQDs with different size distribution in scalable amounts. The as-produced GQDs, in the size range of 1-4 nm, show two-dimensional morphology, most of which present zigzag edge structure, and are 1-3 atomic layers thick. The photoluminescence of the GQDs can be tailored through varying the size of the GQDs by changing process parameters. Due to the luminescence stability, nanosecond lifetime, biocompatibility, low toxicity, and high water solubility, these GQDs are demonstrated to be excellent probes for high contrast bioimaging and biosensing applications.

Modern development of chemical manufacturing requires a substantial reduction in energy consumption and catalyst cost. Sunlight-driven chemical transformation by metal oxides holds great promise for this goal; however, it remains a grand challenge to efficiently couple solar energy into many catalytic reactions. Here we report that defect engineering on oxide catalyst can serve as a versatile approach to bridge light harvesting with surface reactions by ensuring species chemisorption. The chemisorption not only spatially enables the transfer of photoexcited electrons to reaction species, but also alters the form of active species to lower the photon energy requirement for reactions. In a proof of concept, oxygen molecules are activated into superoxide radicals on defect-rich tungsten oxide through visible-near-infrared illumination to trigger organic aerobic couplings of amines to corresponding imines. The excellent efficiency and durability for such a highly important process in chemical transformation can otherwise be virtually impossible to attain by counterpart materials.

Photocatalysis may provide an intriguing approach to nitrogen fixation, which relies on the transfer of photoexcited electrons to the ultrastable N≡N bond. Upon N2 chemisorption at active sites (e.g., surface defects), the N2 molecules have yet to receive energetic electrons toward efficient activation and dissociation, often forming a bottleneck. Herein, we report that the bottleneck can be well tackled by refining the defect states in photocatalysts via doping. As a proof of concept, W18O49 ultrathin nanowires are employed as a model material for subtle Mo doping, in which the coordinatively unsaturated (CUS) metal atoms with oxygen defects serve as the sites for N2 chemisorption and electron transfer. The doped low-valence Mo species play multiple roles in facilitating N2 activation and dissociation by refining the defect states of W18O49: (1) polarizing the chemisorbed N2 molecules and facilitating the electron transfer from CUS sites to N2 adsorbates, which enables the N≡N bond to be more feasible for dissociation through proton coupling; (2) elevating defect-band center toward the Fermi level, which preserves the energy of photoexcited electrons for N2 reduction. As a result, the 1 mol % Mo-doped W18O49 sample achieves an ammonia production rate of 195.5 μmol gcat-1 h-1, 7-fold higher than that of pristine W18O49. In pure water, the catalyst demonstrates an apparent quantum efficiency of 0.33% at 400 nm and a solar-to-ammonia efficiency of 0.028% under simulated AM 1.5 G light irradiation. This work provides fresh insights into the design of photocatalyst lattice for N2 fixation and reaffirms the versatility of subtle electronic structure modulation in tuning catalytic activity.

Realization of advanced bio-interactive electronic devices requires mechanically compliant sensors with the ability to detect extremely large strain. Here, we design a new multifunctional carbon nanotube (CNT) based capacitive strain sensors which can detect strains up to 300% with excellent durability even after thousands of cycles. The CNT-based strain gauge devices exhibit deterministic and linear capacitive response throughout the whole strain range with a gauge factor very close to the predicted value (strictly 1), representing the highest sensitivity value. The strain tests reveal the presented strain gauge with excellent dynamic sensing ability without overshoot or relaxation, and ultrafast response at sub-second scale. Coupling these superior sensing capabilities to the high transparency, physical robustness and flexibility, we believe the designed stretchable multifunctional CNT-based strain gauge may have various potential applications in human friendly and wearable smart electronics, subsequently demonstrated by our prototypical data glove and respiration monitor.

Current technologies for removing heavy metal ions are typically metal ion specific. Herein we report the development of a broad-spectrum heavy metal ion trap by incorporation of ethylenediaminetetraacetic acid into a robust metal-organic framework. The capture experiments for a total of 22 heavy metal ions, covering hard, soft, and borderline Lewis metal ions, show that the trap is very effective, with removal efficiencies of >99% for single-component adsorption, multi-component adsorption, or in breakthrough processes. The material can also serve as a host for metal ion loading with arbitrary selections of metal ion amounts/types with a controllable uptake ratio to prepare well-dispersed single or multiple metal catalysts. This is supported by the excellent performance of the prepared Pd2+-loaded composite toward the Suzuki coupling reaction. This work proposes a versatile heavy metal ion trap that may find applications in the fields of separation and catalysis.