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.

Single-atom catalysts often exhibit unexpected catalytic activity for many important chemical reactions because of their unique electronic and geometric structures with respect to their bulk counterparts. Herein we adopt metal–organic frameworks (MOFs) to assist the preparation of a catalyst containing single Ni sites for efficient electroreduction of CO2. The synthesis is based on ionic exchange between Zn nodes and adsorbed Ni ions within the cavities of the MOF. This single-atom catalyst exhibited an excellent turnover frequency for electroreduction of CO2 (5273 h–1), with a Faradaic efficiency for CO production of over 71.9% and a current density of 10.48 mA cm–2 at an overpotential of 0.89 V. Our findings present some guidelines for the rational design and accurate modulation of nanostructured catalysts at the atomic scale.

According to Yang Shao-Horn's principle, CoSe2 is a promising candidate as an efficient, affordable, and sustainable alternative electrocatalyst for the oxygen evolution reaction, owing to its well-suited electronic configuration of Co ions. However, the catalytic efficiency of pure CoSe2 is still far below what is expected, because of its poor active site exposure yield. Herein, we successfully overcome the disadvantage of insufficient active sites in bulk CoSe2 by reducing its thickness into the atomic scale rather than any additional modification (such as doping or hybridizing with graphene or noble metals). The positron annihilation spectrometry and XAFS spectra provide clear evidence that a large number of VCo″ vacancies formed in the ultrathin nanosheets. The first-principles calculations reveal that these VCo″ vacancies can serve as active sites to efficiently catalyze the oxygen evolution reaction, manifesting an OER overpotential as low as 0.32 V at 10 mA cm–2 in pH 13 medium, which is superior to the values for its bulk counterparts as well as those for the most reported Co-based electrocatalysts. Considering the outstanding performance of the simple, unmodified ultrathin CoSe2 nanosheets as the only catalyst, further improvement of the catalytic activity is expected when various strategies of doping or hybridizing are used. These results not only demonstrate the potential of a notable, affordable, and earth-abundant water oxidation electrocatalyst based on ultrathin CoSe2 nanosheets but also open up a promising avenue into the exploration of excellent active and durable catalysts toward replacing noble metals for oxygen electrocatalysis.

Abstract The design of active, selective, and stable CO 2 reduction electrocatalysts is still challenging. A series of atomically dispersed Co catalysts with different nitrogen coordination numbers were prepared and their CO 2 electroreduction catalytic performance was explored. The best catalyst, atomically dispersed Co with two‐coordinate nitrogen atoms, achieves both high selectivity and superior activity with 94 % CO formation Faradaic efficiency and a current density of 18.1 mA cm −2 at an overpotential of 520 mV. The CO formation turnover frequency reaches a record value of 18 200 h −1 , surpassing most reported metal‐based catalysts under comparable conditions. Our experimental and theoretical results demonstrate that lower a coordination number facilitates activation of CO 2 to the CO 2 .− intermediate and hence enhances CO 2 electroreduction activity.

We reported that atomically dispersed Pd on graphene can be fabricated using the atomic layer deposition technique. Aberration-corrected high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy and X-ray absorption fine structure spectroscopy both confirmed that isolated Pd single atoms dominantly existed on the graphene support. In selective hydrogenation of 1,3-butadiene, the single-atom Pd1/graphene catalyst showed about 100% butenes selectivity at 95% conversion at a mild reaction condition of about 50 °C, which is likely due to the changes of 1,3-butadiene adsorption mode and enhanced steric effect on the isolated Pd atoms. More importantly, excellent durability against deactivation via either aggregation of metal atoms or carbonaceous deposits during a total 100 h of reaction time on stream was achieved. Therefore, the single-atom catalysts may open up more opportunities to optimize the activity, selectivity, and durability in selective hydrogenation reactions.

Outstanding magnetic properties are highly desired for two-dimensional ultrathin semiconductor nanosheets. Here, we propose a phase incorporation strategy to induce robust room-temperature ferromagnetism in a nonmagnetic MoS2 semiconductor. A two-step hydrothermal method was used to intentionally introduce sulfur vacancies in a 2H-MoS2 ultrathin nanosheet host, which prompts the transformation of the surrounding 2H-MoS2 local lattice into a trigonal (1T-MoS2) phase. 25% 1T-MoS2 phase incorporation in 2H-MoS2 nanosheets can enhance the electron carrier concentration by an order, introduce a Mo4+ 4d energy state within the bandgap, and create a robust intrinsic ferromagnetic response of 0.25 μB/Mo by the exchange interactions between sulfur vacancy and the Mo4+ 4d bandgap state at room temperature. This design opens up new possibility for effective manipulation of exchange interactions in two-dimensional nanostructures.

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.