Although Nernst observed ionic conduction of zirconia–yttria solutions in 1899, the field of oxygen separation research remained dormant. In the last 30 years, research efforts by the scientific community intensified significantly, stemming from the pioneering work of Takahashi and co-workers, with the initial development of mixed ionic–electronic conducting (MIEC) oxides. A large number of MIEC compounds have been synthesized and characterized since then, mainly based on perovskites (ABO3−δ and A2BO4±δ) and fluorites (AδB1−δO2−δ and A2δB2−2δO3), or dual-phases by the introduction of metal or ceramic elements. These compounds form dense ceramic membranes, which exhibit significant oxygen ionic and electronic conductivity at elevated temperatures. In turn, this process allows for the ionic transport of oxygen from air due to the differential partial pressure of oxygen across the membrane, providing the driving force for oxygen ion transport. As a result, defect-free synthesized membranes deliver 100% pure oxygen. Electrons involved in the electrochemical oxidation and reduction of oxygen ions and oxygen molecules respectively are transported in the opposite direction, thus ensuring overall electrical neutrality. Notably, the fundamental application of the defect theory was deduced to a plethora of MIEC materials over the last 30 years, providing the understanding of electronic and ionic transport, in particular when dopants are introduced to the compound of interest. As a consequence, there are many special cases of ionic oxygen transport limitation accompanied by phase changes, depending upon the temperature and oxygen partial pressure operating conditions. This paper aims at reviewing all the significant and relevant contribution of the research community in this area in the last three decades in conjunction with theoretical principles.

A novel metal oxide composite catalyst for the total oxidation of carbon monoxide and methane was prepared by combining fluorite oxides with active transition metals. The fluorite oxides, such as ceria and zirconia, are oxygen-ion-conducting materials having catalytic properties usually at high temperatures. Active base metal catalysts, such as copper, were used as additives to promote the catalytic properties of these oxides. The contact of the two types of materials gave rise to a high active oxidation catalyst. At a space velocity of about 42,000 h-1, complete carbon monoxide oxidation in air occurred at room temperature on the Au-0.05[Ce(La)]0.95Ox catalyst and at ca. 100°C on Cu-Ce-O composite catalysts. At the same space velocity, total oxidation of methane on the Cu-Ce-O catalyst doped with La2O3 or SrO took place at ca. 550°C. The specific carbon monoxide oxidation activity of the Cu-Ce-O catalyst was several orders of magnitude higher than that of conventional copper-based catalysts and comparable or superior to platinum catalysts. This type of composite catalyst also showed excellent resistance to water vapor poisoning. The enhanced catalyst activity and stability resulted from strong interaction of the transition metal and fluorite oxide materials.

LnBaCo2O5+δ (Ln = La, Pr, Nd, Sm, Gd, and Y) was synthesized via an EDTA–citrate complexing process. The particular Ln3+ dopant had a significant effect on the oxide’s phase structure/stability, oxygen content, electrical conductivity, oxygen permeability, and cathode performance. Stable, cation-ordered oxides with layered lattice structures were obtained with medium-sized Ln3+ ions over a wide range of oxygen partial pressures, a property essential for applications as oxygen separation membranes and solid oxide fuel cell (SOFC) cathodes. PrBaCo2O5+δ demonstrated the highest oxygen flux (∼5.09 × 10−7 mol cm−2 s−1 at 900 °C), but this value was still significantly lower than that of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ perovskite (∼3.1 × 10−6 mol cm−2 s−1 at 900 °C). The observed difference was attributed to the much longer diffusion distance through a polycrystalline membrane with a layered lattice structure than through cubic perovskite because bulk diffusion was the rate-limiting step of permeation. An area-specific resistance of ∼0.213 Ω cm2 was achieved at 600 °C with a PrBaCo2O5+δ cathode, suggesting that the layer-structured oxides were promising alternatives to ceramic membranes for SOFC cathodes.

A series of transition metals (Co, Cu and Fe) were selected to decorate Ce-Ti mixed oxide to elevate the low-temperature activity of selective catalytic reduction of NOx by NH3 (NH3-SCR) reaction, by adjusting the ratio of surface Ce3+ species and oxygen vacancies. Among them, Co-Ce-Ti sample exhibited the excellent low-temperature activity and broadened temperature window, which could be attributed to the improvement of the physico-chemical properties and the acceleration of the reactions in the Langmuir-Hinshelwood (L-H) and Eley-Rideal (E-R) mechanisms. Owing to the different ionic sizes of Co2+ and Ce4+, the lattice distortion of Ce-Ti mixed oxide was greatly aggravated and subsequently increased the ratio of Ce3+ and the surface adsorbed oxygen, which benefited the generation of adsorbed NOx species and improved the reaction in the L-H mechanism. Meanwhile, the coordinatively unsaturated cationic sites over the Co-Ce-Ti sample induced more Lewis acid sites and enhanced the formation of the adsorbed NH3 species bounded with Lewis acid sites, which were considered as the crucial intermediates in E-R mechanism, and therefore facilitating the reaction between the adsorbed NH3 species and NO molecules. The enhancements in both the reactions from L-H and E-R mechanisms appeared to directly correlated with the improved deNOx performance on the Co-Ce-Ti sample, and the L-H mechanism could be the dominate one at low temperatures due to its rapid reaction rate.

Singlet oxygen produced during peroxymonosulfate activation by N-graphene dominated the pollutants degradation.

This review summarizes the recent research progress made in nanostructured metal nitrides for electrochemical and photo(electro)chemical water splitting.

A pilot-scale study of biohydrogen production was performed in a continuous flow anaerobic fermentation reactor (with an available volume of 1.48 m3) for over 200 days. The hydrogen bio-producing reactor (HBR) system was operated under the organic loading rates (OLR) of 3.11–85.57 kg COD/m3reactor/d (COD: chemical oxygen demand) with molasses as the substrate. Both biogas and hydrogen yields increased with OLR at the range of 3.11–68.21kgCOD/m3d, but decreased at high OLR (68.21–85.57 kg COD/m3reactor/d). The biogas was mainly composed of CO2 and H2 with the percentage of H2 ranging from 40% to 52% in biogas. A maximum hydrogen production rate of 5.57m3H2/m3reactor/d, with a specific hydrogen production rate of 0.75m3H2/kgMLVSS/d, was obtained in the reactor. The hydrogen yield reached 26.13mol/kgCODremoved within OLR range of 35–55 kg COD/m3reactor/d. In addition, it was found that the hydrogen yield was affected by the presence of ethanol and acetate in the liquid phase, and the maximum hydrogen production rate occurred while the ratio of ethanol to acetate was close to 1, due to the adjustment of NAD+/(NADH+H+) through fermentation pathways. Ethanol-type fermentation was favorable for hydrogen production.

Graphite oxide (GO) was prepared by a modified Hummers−Offeman method and was tested as an adsorbent for the removal of dyes in aqueous solution. The structure of GO was characterized by N2 adsorption, X-ray diffraction (XRD), and Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy. It is found that GO does not show a significant change in surface area, but the layered graphene structure was expanded, and several surface oxygen functional groups were formed, which play a significant role in adsorption. The amount of the dyes, methylene blue and malachite green, adsorbed on the GO was much higher than that on graphite, and the adsorption capacity based on the Langmuir isotherm is (351 and 248) mg·g−1, respectively, much higher than activated carbon. The adsorption mechanism was proposed as electrostatic attraction.

As an important half reaction in solar-driven water splitting, it is still a challenging issue to develop low-cost and high efficient photocatalysts for water oxidation process. In this study, we reported a facile strategy for controllable synthesis of three-component Bi2O3/Bi2S3/MoS2 n-p heterojunction based on the formation of the intermediate Bi2S3 by coupling Bi2O3 and MoS2. The Bi2S3 was easily formed due to the strong interaction between Bi3+ and S2− ions with the assistance of the hydrothermal treatment. As a result, the prepared Bi2O3/Bi2S3/MoS2 nanocomposite exhibits enhanced ability of photocatalytic water oxidation (529.1 μmol h−1 g−1cat), which is 1.5 and 12.5 times higher than that of pure Bi2O3 and MoS2, respectively, under simulated solar light irradiation. Furthermore, the photoelectrochemical results reveal that the charge transportation feature and the donor density were apparently enhanced after the introduction of highly conductive layered MoS2, which indicates the enhancement of the photo-response and the improvement of charge separation efficiency.