Abstract Efficient generation of hydrogen from water-splitting is an underpinning chemistry to realize the hydrogen economy. Low cost, transition metals such as nickel and iron-based oxides/hydroxides have been regarded as promising catalysts for the oxygen evolution reaction in alkaline media with overpotentials as low as ~200 mV to achieve 10 mA cm −2 , however, they are generally unsuitable for the hydrogen evolution reaction. Herein, we show a Janus nanoparticle catalyst with a nickel–iron oxide interface and multi-site functionality for a highly efficient hydrogen evolution reaction with a comparable performance to the benchmark platinum on carbon catalyst. Density functional theory calculations reveal that the hydrogen evolution reaction catalytic activity of the nanoparticle is induced by the strong electronic coupling effect between the iron oxide and the nickel at the interface. Remarkably, the catalyst also exhibits extraordinary oxygen evolution reaction activity, enabling an active and stable bi-functional catalyst for whole cell water-splitting with, to the best of our knowledge, the highest energy efficiency (83.7%) reported to date.

The development of oxygen reduction reaction (ORR) electrocatalysts based on earth-abundant nonprecious materials is critically important for sustainable large-scale applications of fuel cells and metal-air batteries. Herein, a hetero-single-atom (h-SA) ORR electrocatalyst is presented, which has atomically dispersed Fe and Ni coanchored to a microsized nitrogen-doped graphitic carbon support with unique trimodal-porous structure configured by highly ordered macropores interconnected through mesopores. Extended X-ray absorption fine structure spectra confirm that Fe- and Ni-SAs are affixed to the carbon support via FeN4 and NiN4 coordination bonds. The resultant Fe/Ni h-SA electrocatalyst exhibits an outstanding ORR activity, outperforming SA electrocatalysts with only Fe- or Ni-SAs, and the benchmark Pt/C. The obtained experimental results indicate that the achieved outstanding ORR performance results from the synergetic enhancement induced by the coexisting FeN4 and NiN4 sites, and the superior mass-transfer capability promoted by the trimodal-porous-structured carbon support.

The mixed caesium and formamidinium lead triiodide perovskite system (Cs1−xFAxPbI3) in the form of quantum dots (QDs) offers a pathway towards stable perovskite-based photovoltaics and optoelectronics. However, it remains challenging to synthesize such multinary QDs with desirable properties for high-performance QD solar cells (QDSCs). Here we report an effective oleic acid (OA) ligand-assisted cation-exchange strategy that allows controllable synthesis of Cs1−xFAxPbI3 QDs across the whole composition range (x = 0–1), which is inaccessible in large-grain polycrystalline thin films. In an OA-rich environment, the cross-exchange of cations is facilitated, enabling rapid formation of Cs1−xFAxPbI3 QDs with reduced defect density. The hero Cs0.5FA0.5PbI3 QDSC achieves a certified record power conversion efficiency (PCE) of 16.6% with negligible hysteresis. We further demonstrate that the QD devices exhibit substantially enhanced photostability compared with their thin-film counterparts because of suppressed phase segregation, and they retain 94% of the original PCE under continuous 1-sun illumination for 600 h. Mixed-cation perovskite quantum dot solar cells possess decent phase stability but considerably low efficiency. Here Hao et al. show that ligands are key to the formation of quantum dots with lower defect density and demonstrate devices that are more stable and efficient than their bulk counterparts.

Abstract The layer‐structured MoS 2 is a typical hydrogen evolution reaction (HER) electrocatalyst but it possesses poor activity for the oxygen evolution reaction (OER). In this work, a cobalt covalent doping approach capable of inducing HER and OER bifunctionality into MoS 2 for efficient overall water splitting is reported. The results demonstrate that covalently doping cobalt into MoS 2 can lead to dramatically enhanced HER activity while simultaneously inducing remarkable OER activity. The catalyst with optimal cobalt doping density can readily achieve HER and OER onset potentials of −0.02 and 1.45 V (vs reversible hydrogen electrode (RHE)) in 1.0 m KOH. Importantly, it can deliver high current densities of 10, 100, and 200 mA cm −2 at low HER and OER overpotentials of 48, 132, 165 mV and 260, 350, 390 mV, respectively. The reported catalyst activation approach can be adapted for bifunctionalization of other transition metal dichalcogenides.

A titanium carbide (Ti3 C2 Tx ) MXene is employed as an efficient solid support to host a nitrogen (N) and sulfur (S) coordinated ruthenium single atom (RuSA ) catalyst, which displays superior activity toward the hydrogen evolution reaction (HER). X-ray absorption fine structure spectroscopy and aberration corrected scanning transmission electron microscopy reveal the atomic dispersion of Ru on the Ti3 C2 Tx MXene support and the successful coordination of RuSA with the N and S species on the Ti3 C2 Tx MXene. The resultant RuSA -N-S-Ti3 C2 Tx catalyst exhibits a low overpotential of 76 mV to achieve the current density of 10 mA cm-2 . Furthermore, it is shown that integrating the RuSA -N-S-Ti3 C2 Tx catalyst on n+ np+ -Si photocathode enables photoelectrochemical hydrogen production with exceptionally high photocurrent density of 37.6 mA cm-2 that is higher than the reported precious Pt and other noble metals catalysts coupled to Si photocathodes. Density functional theory calculations suggest that RuSA coordinated with N and S sites on the Ti3 C2 Tx MXene support is the origin of this enhanced HER activity. This work would extend the possibility of using the MXene family as a solid support for the rational design of various single atom catalysts.

Splitting water to produce hydrogen requires the development of non-noble-metal catalysts that are able to make this reaction feasible and energy efficient. Herein, we show that cobalt pentlandite (Co9S8) nanoparticles can serve as an electrochemically active, noble-metal-free material toward hydrogen evolution reaction, and they work stably in neutral solution (pH 7) but not in acidic (pH 0) and basic (pH 14) media. We, therefore, further present a carbon-armoring strategy to increase the durability and activity of Co9S8 over a wider pH range. In particular, carbon-armored Co9S8 nanoparticles (Co9S8@C) are prepared by direct thermal treatment of a mixture of cobalt nitrate and trithiocyanuric acid at 700 °C in N2 atmosphere. Trithiocyanuric acid functions as both sulfur and carbon sources in the reaction system. The resulting Co9S8@C material operates well with high activity over a broad pH range, from pH 0 to 14, and gives nearly 100% Faradaic yield during hydrogen evolution reaction under acidic (pH 0), neutral (pH 7), and basic (pH 14) media. To the best of our knowledge, this is the first time that a transition-metal chalcogenide material is shown to have all-pH efficient and durable electrocatalytic activity. Identifying Co9S8 as the catalytically active phase and developing carbon-armoring as the improvement strategy are anticipated to give a fresh impetus to rational design of high-performance noble-metal-free water splitting catalysts.

The organic-inorganic hybrid perovskite CH3NH3PbI3 is a novel light harvester, which can greatly improve the solar-conversion efficiency of dye-sensitized solar cells. In this article, a first-principle theoretical study is performed using local, semi-local and non-local exchange-correlation approximations to find a suitable method for this material. Our results, using the non-local optB86b + vdWDF functional, excellently agree with the experimental data. Thus, consideration of weak van der Waals interactions is demonstrated to be important for the accurate description of the properties of this type of organic-inorganic hybrid materials. Further analysis of the electronic properties reveals that I 5p electrons can be photo-excited to Pb 6p empty states. The main interaction between the organic cations and the inorganic framework is through the ionic bonding between CH3 and I ions. Furthermore, I atoms in the Pb-I framework are found to be chemically inequivalent because of their different chemical environments.