Three's a charm for iron and CO 2 Large-scale electrochemical reduction of CO 2 to CO could be a promising first step in sustainable conversion of the greenhouse gas to commodity chemicals. Currently, gold and silver are the most active catalysts for this process, whereas more abundant, less expensive metals tend to require impractically high potentials. Jun Gu et al. now report an iron catalyst with activity equaling or exceeding that of the precious metals. The key proved to be stabilization of the dispersed single iron ions in the +3 oxidation state. Science , this issue p. 1091

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

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.

The oxygen evolution reaction (OER) is the performance-limiting half reaction of water splitting, which can be used to produce hydrogen fuel using renewable energies. Whereas a number of transition metal oxides and oxyhydroxides have been developed as promising OER catalysts in alkaline medium, the mechanisms of OER on these catalysts are not well understood. Here we combine electrochemical and in situ spectroscopic methods, particularly operando X-ray absorption and Raman spectroscopy, to study the mechanism of OER on cobalt oxyhydroxide (CoOOH), an archetypical unary OER catalyst. We find the dominating resting state of the catalyst as a Co(IV) species CoO2. Through oxygen isotope exchange experiments, we discover a cobalt superoxide species as an active intermediate in the OER. This intermediate is formed concurrently to the oxidation of CoOOH to CoO2. Combing spectroscopic and electrokinetic data, we identify the rate-determining step of the OER as the release of dioxygen from the superoxide intermediate. The work provides important experimental fingerprints and new mechanistic perspectives for OER catalysts.

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.

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

Single-atom catalysts exhibit well-defined active sites and potentially maximum atomic efficiency. However, they are unsuitable for reactions that benefit from bimetallic promotion such as the oxygen evolution reaction (OER) in an alkaline medium. Here we show that a single-atom Co precatalyst can be in situ transformed into a Co-Fe double-atom catalyst for the OER. This catalyst exhibits one of the highest turnover frequencies among metal oxides. Electrochemical, microscopic, and spectroscopic data, including those from operando X-ray absorption spectroscopy, reveal a dimeric Co-Fe moiety as the active site of the catalyst. This work demonstrates double-atom catalysis as a promising approach for the development of defined and highly active OER catalysts.

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.