Improving the catalytic selectivity of Pd catalysts is of key importance for various industrial processes and remains a challenge so far. Given the unique properties of single-atom catalysts, isolating contiguous Pd atoms into a single-Pd site with another metal to form intermetallic structures is an effective way to endow Pd with high catalytic selectivity and to stabilize the single site with the intermetallic structures. Based on density functional theory modeling, we demonstrate that the (110) surface of Pm3̅m PdIn with single-atom Pd sites shows high selectivity for semihydrogenation of acetylene, whereas the (111) surface of P4/mmm Pd3In with Pd trimer sites shows low selectivity. This idea has been further validated by experimental results that intermetallic PdIn nanocrystals mainly exposing the (110) surface exhibit much higher selectivity for acetylene hydrogenation than Pd3In nanocrystals mainly exposing the (111) surface (92% vs 21% ethylene selectivity at 90 °C). This work provides insight for rational design of bimetallic metal catalysts with specific catalytic properties.

Abstract Proton exchange membrane fuel cells convert hydrogen and oxygen into electricity without emissions. The high cost and low durability of Pt-based electrocatalysts for the oxygen reduction reaction hinder their wide application, and the development of non-precious metal electrocatalysts is limited by their low performance. Here we design a hybrid electrocatalyst that consists of atomically dispersed Pt and Fe single atoms and Pt–Fe alloy nanoparticles. Its Pt mass activity is 3.7 times higher than that of commercial Pt/C in a fuel cell. More importantly, the fuel cell with a low Pt loading in the cathode (0.015 mg Pt cm −2 ) shows an excellent durability, with a 97% activity retention after 100,000 cycles and no noticeable current drop at 0.6 V for over 200 hours. These results highlight the importance of the synergistic effects among active sites in hybrid electrocatalysts and provide an alternative way to design more active and durable low-Pt electrocatalysts for electrochemical devices.

Rechargeable lithium metal batteries are next generation energy storage devices with high energy density, but face challenges in achieving high energy density, high safety, and long cycle life. Here, lithium metal batteries in a novel nonflammable ionic-liquid (IL) electrolyte composed of 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMIm) cations and high-concentration bis(fluorosulfonyl)imide (FSI) anions, with sodium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (NaTFSI) as a key additive are reported. The Na ion participates in the formation of hybrid passivation interphases and contributes to dendrite-free Li deposition and reversible cathode electrochemistry. The electrolyte of low viscosity allows practically useful cathode mass loading up to ≈16 mg cm-2 . Li anodes paired with lithium cobalt oxide (LiCoO2 ) and lithium nickel cobalt manganese oxide (LiNi0.8 Co0.1 Mn0.1 O2 , NCM 811) cathodes exhibit 99.6-99.9% Coulombic efficiencies, high discharge voltages up to 4.4 V, high specific capacity and energy density up to ≈199 mAh g-1 and ≈765 Wh kg-1 respectively, with impressive cycling performances over up to 1200 cycles. Highly stable passivation interphases formed on both electrodes in the novel IL electrolyte are the key to highly reversible lithium metal batteries, especially for Li-NMC 811 full batteries.

Abstract Rechargeable sodium metal batteries with high energy density could be important to a wide range of energy applications in modern society. The pursuit of higher energy density should ideally come with high safety, a goal difficult for electrolytes based on organic solvents. Here we report a chloroaluminate ionic liquid electrolyte comprised of aluminium chloride/1-methyl-3-ethylimidazolium chloride/sodium chloride ionic liquid spiked with two important additives, ethylaluminum dichloride and 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide. This leads to the first chloroaluminate based ionic liquid electrolyte for rechargeable sodium metal battery. The obtained batteries reached voltages up to ~ 4 V, high Coulombic efficiency up to 99.9%, and high energy and power density of ~ 420 Wh kg −1 and ~ 1766 W kg −1 , respectively. The batteries retained over 90% of the original capacity after 700 cycles, suggesting an effective approach to sodium metal batteries with high energy/high power density, long cycle life and high safety.

The electrochemical nitrate reduction reaction (NITRR) is an appealing method for ammonia synthesis, owing to the ambient conditions as well as its abundant sources, low dissociation energy, and high solubility of nitrate. The hydrogen evolution reaction is a competing process of the NITRR, which should be properly suppressed to achieve a high Faradaic efficiency of the NITRR. Herein, ultrathin CoOx nanosheets with abundant surface oxygen are designed as a low-cost NITRR catalyst, which delivers an ultrahigh ammonia yield of 82.4 ± 4.8 mg h–1 mgcat–1 with a Faradaic efficiency of 93.4 ± 3.8% at −0.3 V versus the reversible hydrogen electrode. Theoretical calculation reveals that the surface oxygen on cobalt sites can stabilize the adsorbed hydrogen on cobalt oxide, which hampers the evolution of hydrogen and leads to an enhanced NITRR activity. This work demonstrates that surface modification plays a critical role in suppressing the HER and facilitating the NITRR through a NHO pathway with a lower energy barrier.

Abstract It is of great significance to reveal the detailed mechanism of neighboring effects between monomers, as they could not only affect the intermediate bonding but also change the reaction pathway. This paper describes the electronic effect between neighboring Zn/Co monomers effectively promoting CO 2 electroreduction to CO. Zn and Co atoms coordinated on N doped carbon (ZnCoNC) show a CO faradaic efficiency of 93.2 % at −0.5 V versus RHE during a 30‐hours test. Extended X‐ray absorption fine structure measurements (EXAFS) indicated no direct metal–metal bonding and X‐ray absorption near‐edge structure (XANES) showed the electronic effect between Zn/Co monomers. In situ attenuated total reflection‐infrared spectroscopy (ATR‐IR) and density functional theory (DFT) calculations further revealed that the electronic effect between Zn/Co enhanced the *COOH intermediate bonding on Zn sites and thus promoted CO production. This work could act as a promising way to reveal the mechanism of neighboring monomers and to influence catalysis.

Aqueous aluminum-ion batteries (AAIBs) have emerged as cost-effective and safe alternatives to lithium-ion batteries for storing energy. However, utilizing cathode materials like Prussian blue analogs (PBAs) to accommodate different metallic charge carriers faces challenges due to their low conductivity and slow redox kinetics. To overcome these issues, we propose a novel Fe-Co PBA/rGO nanocomposite with a strong interfacial chemical coupling between Fe-Co PBA and rGO. By combining theoretical calculations with experimental analysis, we have identified the essential role of interfacial interactions in regulating the electronic state and diffusion barriers of Al3+ within the Fe-Co PBA framework. Moreover, a three-dimensional structure that is tightly enclosed by ultrathin rGO sheets was successfully formed, ensuring excellent structural stability. Ex-situ XPS and XRD investigations have further clarified the electrochemical mechanism of the Fe-Co PBA/rGO cathode, revealing reversible redox reactions between Fe2+/Fe3+ and Co3+/Co2+ states during the insertion and extraction of Al3+. These inherent properties contribute to the remarkable cycling stability of the Fe-Co PBA/rGO cathode, achieving 66.7 mAh/g at 1 A/g after 1500 cycles, and high electrochemical reversibility. Additionally, we have successfully built a MoO3//Fe-Co PBA/rGO full battery with a capacity of 53.6 mAh/g over 2000 cycles at 1 A/g. This outcome further emphasizes its significant potential in electronic applications related to energy storage.