Abstract A new strategy for achieving stable Co single atoms (SAs) on nitrogen‐doped porous carbon with high metal loading over 4 wt % is reported. The strategy is based on a pyrolysis process of predesigned bimetallic Zn/Co metal–organic frameworks, during which Co can be reduced by carbonization of the organic linker and Zn is selectively evaporated away at high temperatures above 800 °C. The spherical aberration correction electron microscopy and extended X‐ray absorption fine structure measurements both confirm the atomic dispersion of Co atoms stabilized by as‐generated N‐doped porous carbon. Surprisingly, the obtained Co‐N x single sites exhibit superior ORR performance with a half‐wave potential (0.881 V) that is more positive than commercial Pt/C (0.811 V) and most reported non‐precious metal catalysts. Durability tests revealed that the Co single atoms exhibit outstanding chemical stability during electrocatalysis and thermal stability that resists sintering at 900 °C. Our findings open up a new routine for general and practical synthesis of a variety of materials bearing single atoms, which could facilitate new discoveries at the atomic scale in condensed materials.

We develop a host-guest strategy to construct an electrocatalyst with Fe-Co dual sites embedded on N-doped porous carbon and demonstrate its activity for oxygen reduction reaction in acidic electrolyte. Our catalyst exhibits superior oxygen reduction reaction performance, with comparable onset potential (Eonset, 1.06 vs 1.03 V) and half-wave potential (E1/2, 0.863 vs 0.858 V) than commercial Pt/C. The fuel cell test reveals (Fe,Co)/N-C outperforms most reported Pt-free catalysts in H2/O2 and H2/air. In addition, this cathode catalyst with dual metal sites is stable in a long-term operation with 50 000 cycles for electrode measurement and 100 h for H2/air single cell operation. Density functional theory calculations reveal the dual sites is favored for activation of O-O, crucial for four-electron oxygen reduction.

Direct and efficient photocatalytic water splitting is critical for sustainable conversion and storage of renewable solar energy. Here, we propose a conceptual design of two-dimensional C3N4-based in-plane heterostructure to achieve fast spatial transfer of photoexcited electrons for realizing highly efficient and spontaneous overall water splitting. This unique plane heterostructural carbon ring (Cring)–C3N4 nanosheet can synchronously expedite electron–hole pair separation and promote photoelectron transport through the local in-plane π-conjugated electric field, synergistically elongating the photocarrier diffusion length and lifetime by 10 times relative to those achieved with pristine g-C3N4. As a result, the in-plane (Cring)–C3N4 heterostructure could efficiently split pure water under light irradiation with prominent H2 production rate up to 371 μmol g–1 h–1 and a notable quantum yield of 5% at 420 nm.

Herein, we construct a novel electrocatalyst with Fe–Co dual sites embedded in N-doped carbon nanotubes ((Fe,Co)/CNT), which exhibits inimitable advantages towards the oxygen reduction reaction.

Here we report a precise control of isolated single ruthenium site supported on nitrogen-doped porous carbon (Ru SAs/N–C) through a coordination-assisted strategy. This synthesis is based on the utilization of strong coordination between Ru3+ and the free amine groups (−NH2) at the skeleton of a metal–organic framework, which plays a critical role to access the atomically isolated dispersion of Ru sites. Without the assistance of the amino groups, the Ru precursor is prone to aggregation during the pyrolysis process, resulting in the formation of Ru clusters. The atomic dispersion of Ru on N-doped carbon can be verified by the spherical aberration correction electron microscopy and X-ray absorption fine structure measurements. Most importantly, this single Ru sites with single-mind N coordination can serve as a semihomogeneous catalyst to catalyze effectively chemoselective hydrogenation of functionalized quinolones.

A competitive complexation strategy has been developed to construct a novel electrocatalyst with Zn-Co atomic pairs coordinated on N doped carbon support (Zn/CoN-C). Such architecture offers enhanced binding ability of O2 , significantly elongates the O-O length (from 1.23 Å to 1.42 Å), and thus facilitates the cleavage of O-O bond, showing a theoretical overpotential of 0.335 V during ORR process. As a result, the Zn/CoN-C catalyst exhibits outstanding ORR performance in both alkaline and acid conditions with a half-wave potential of 0.861 and 0.796 V respectively. The in situ XANES analysis suggests Co as the active center during the ORR. The assembled zinc-air battery with Zn/CoN-C as cathode catalyst presents a maximum power density of 230 mW cm-2 along with excellent operation durability. The excellent catalytic activity in acid is also verified by H2 /O2 fuel cell tests (peak power density of 705 mW cm-2 ).

Abstract Supported metal clusters containing only a few atoms are of great interest. Progress has been made in synthesis of metal single-atom catalysts. However, precise synthesis of metal dimers on high-surface area support remains a grand challenge. Here, we show that Pt 2 dimers can be fabricated with a bottom–up approach on graphene using atomic layer deposition, through proper nucleation sites creation, Pt 1 single-atom deposition and attaching a secondary Pt atom selectively on the preliminary one. Scanning transmission electron microscopy, x-ray absorption spectroscopy, and theoretical calculations suggest that the Pt 2 dimers are likely in the oxidized form of Pt 2 O x . In hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane, Pt 2 dimers exhibit a high specific rate of 2800 mol H2 mol Pt −1 min −1 at room temperature, ~17- and 45-fold higher than graphene supported Pt single atoms and nanoparticles, respectively. These findings open an avenue to bottom–up fabrication of supported atomically precise ultrafine metal clusters for practical applications.

Developing an active and stable metal single-atom catalyst (SAC) is challenging due to the high surface free energy of metal atoms. In this work, we report that tailoring of the 5d state of Pt1 single atoms on Co3O4 through strong electronic metal-support interactions (EMSIs) boosts the activity up to 68-fold higher than those on other supports in dehydrogenation of ammonia borane for room-temperature hydrogen generation. More importantly, this catalyst also exhibits excellent stability against sintering and leaching, in sharp contrast to the rapid deactivation observed on other Pt single-atom and nanoparticle catalysts. Detailed spectroscopic characterization and theoretical calculations revealed that the EMSI tailors the unoccupied 5d state of Pt1 single atoms, which modulates the adsorption of ammonia borane and facilities hydrogen desorption, thus leading to the high activity. Such extraordinary electronic promotion was further demonstrated on Pd1/Co3O4 and in hydrogenation reactions, providing a new promising way to design advanced SACs with high activity and stability.