Due to the Fenton reaction, the presence of Fe and peroxide in electrodes generates free radicals causing serious degradation of the organic ionomer and the membrane. Pt-free and Fe-free cathode catalysts therefore are urgently needed for durable and inexpensive proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Herein, a high-performance nitrogen-coordinated single Co atom catalyst is derived from Co-doped metal-organic frameworks (MOFs) through a one-step thermal activation. Aberration-corrected electron microscopy combined with X-ray absorption spectroscopy virtually verifies the CoN4 coordination at an atomic level in the catalysts. Through investigating effects of Co doping contents and thermal activation temperature, an atomically Co site dispersed catalyst with optimal chemical and structural properties has achieved respectable activity and stability for the oxygen reduction reaction (ORR) in challenging acidic media (e.g., half-wave potential of 0.80 V vs reversible hydrogen electrode (RHE). The performance is comparable to Fe-based catalysts and 60 mV lower than Pt/C -60 μg Pt cm-2 ). Fuel cell tests confirm that catalyst activity and stability can translate to high-performance cathodes in PEMFCs. The remarkably enhanced ORR performance is attributed to the presence of well-dispersed CoN4 active sites embedded in 3D porous MOF-derived carbon particles, omitting any inactive Co aggregates.

Stabilizing transition metals (M) in MPt alloy under acidic conditions is challenging, yet crucial to boost Pt catalysis toward oxygen reduction reaction (ORR). We synthesized ∼9 nm hard-magnet core/shell L10-CoPt/Pt nanoparticles with 2–3 atomic layers of strained Pt shell for ORR. At 60°C in acid, the hard-magnet L10-CoPt better stabilizes Co (5% loss after 24 hr) than soft-magnet A1-CoPt (34% loss in 7 hr). L10-CoPt/Pt achieves mass activities (MA) of 0.56 A/mgPt initially and 0.45 A/mgPt after 30,000 voltage cycles in the membrane electrode assembly at 80°C, exceeding the DOE 2020 targets on Pt activity and durability (0.44 A/mgPt in MA and <40% loss in MA after 30,000 cycles). Density functional theory calculations suggest that the ligand effect of Co and the biaxial strain (−4.50%/−4.25%) of the Pt shell weaken the binding of oxygenated species, leading to enhanced ORR performance in fuel cells.

Development of acid-stable electrocatalysts with low overpotential for oxygen evolution reaction (OER) is a major challenge to produce hydrogen directly from water. We report in this paper a pyrochlore yttrium ruthenate (Y2Ru2O7-δ) electrocatalyst that has significantly enhanced performance toward OER in acid media over the best-known catalysts, with an onset overpotential of 190 mV and high stability in 0.1 M perchloric acid solution. X-ray absorption near-edge structure (XANES) indicates Y2Ru2O7-δ electrocatalyst had a low valence state that favors the high OER activity. Density functional theory (DFT) calculation shows this pyrochlore has lower band center energy for the overlap between Ru 4d and O 2p orbitals and is therefore more stable Ru-O bond than RuO2, highlighting the effect of yttrium on the enhancement in stability. The Y2Ru2O7-δ pyrochlore is also free of expensive iridium metal and thus is a cost-effective candidate for practical applications.

We report in this article a detailed study on how to stabilize a first-row transition metal (M) in an intermetallic L10-MPt alloy nanoparticle (NP) structure and how to surround the L10-MPt with an atomic layer of Pt to enhance the electrocatalysis of Pt for oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cell operation conditions. Using 8 nm FePt NPs as an example, we demonstrate that Fe can be stabilized more efficiently in a core/shell structured L10-FePt/Pt with a 5 Å Pt shell. The presence of Fe in the alloy core induces the desired compression of the thin Pt shell, especially the two atomic layers of Pt shell, further improving the ORR catalysis. This leads to much enhanced Pt catalysis for ORR in 0.1 M HClO4 solution (at both room temperature and 60 °C) and in the membrane electrode assembly (MEA) at 80 °C. The L10-FePt/Pt catalyst has a mass activity of 0.7 A/mgPt from the half-cell ORR test and shows no obvious mass activity loss after 30 000 potential cycles between 0.6 and 0.95 V at 80 °C in the MEA, meeting the DOE 2020 target (<40% loss in mass activity). We are extending the concept and preparing other L10-MPt/Pt NPs, such as L10-CoPt/Pt NPs, with reduced NP size as a highly efficient ORR catalyst for automotive fuel cell applications.

Highly ordered Pt alloy structures are proven effective to improve their catalytic activity and stability for the oxygen reduction reaction (ORR) for proton exchange membrane fuel cells. Here, we report a new approach to preparing ordered Pt3Co intermetallic nanoparticles through a facile thermal treatment of Pt nanoparticles supported on Co-doped metal-organic-framework (MOF)-derived carbon. In particular, the atomically dispersed Co sites, which are originally embedded into MOF-derived carbon, diffuse into Pt nanocrystals and form ordered Pt3Co structures. It is very crucial for the formation of the ordered Pt3Co to carefully control the doping content of Co into the MOFs and the heating temperatures for Co diffusion. The optimal Pt3Co nanoparticle catalyst has achieved significantly enhanced activity and stability, exhibiting a half-wave potential up to 0.92 V vs reversible hydrogen electrode (RHE) and only losing 12 mV after 30 000 potential cycling between 0.6 and 1.0 V. The highly ordered intermetallic structure was retained after the accelerated stress tests made evident by atomic-scale elemental mapping. Fuel cell tests further verified the high intrinsic activity of the ordered Pt3Co catalysts. Unlike the direct use of MOF-derived carbon supports for depositing Pt, we utilized MOF-derived carbon containing atomically dispersed Co sites as Co sources to prepare ordered Pt3Co intermetallic catalysts. The new synthesis approach provides an effective strategy to develop active and stable Pt alloy catalysts by leveraging the unique properties of MOFs such as 3D structures, high surface areas, and controlled nitrogen and transition metal dopings.

Highly selective hydrogenation of cinnamaldehyde to cinnamyl alcohol with 2-propanol was achieved using SiC-supported Au nanoparticles as photocatalyst. The hydrogenation reached a turnover frequency as high as 487 h–1 with 100% selectivity for the production of alcohol under visible light irradiation at 20 °C. This high performance is attributed to a synergistic effect of localized surface plasmon resonance of Au NPs and charge transfer across the SiC/Au interface. The charged metal surface facilitates the oxidation of 2-propanol to form acetone, while the electron and steric effects at the interface favor the preferred end-adsorption of α,β-unsaturated aldehydes for their selective conversion to unsaturated alcohols. We show that this Au/SiC photocatalyst is capable of hydrogenating a large variety of α,β-unsaturated aldehydes to their corresponding unsaturated alcohols with high conversion and selectivity.

Spinel cobalt oxide (Co3O4) is a promising, cost-effective, and precious group metal (PGM)-free alternative to iridium-based catalysts for the oxygen evolution reaction (OER) in polymer electrolyte membrane water electrolyzers (PEMWE). However, its application is limited by poor stability under acidic conditions. This study tackles this issue by modifying Co3O4 with acid-resistant elements including tin (Sn), antimony (Sb), and manganese (Mn). Advanced characterization methods were employed to decipher the structure-property relationships of the hydrothermally synthesized catalyst materials. The modified Co3O4 catalysts were thoroughly tested for their OER performance, where the tin-modified Sn-Co3O4 exhibited the highest activity and stability in aqueous acidic electrolytes. Successful integration in a practical PEM water electrolysis cell is demonstrated, delivering a current density over 100 mA/cm2. Our results show notable improvements in both the performance and durability of the Co3O4 spinel catalysts, which is attributed to the promoting effect of the stable Sn-oxide promoters.

Sodium-ion batteries with P2-type layered transition metal oxides (NaxTMO2) as cathode materials hold promise for large-scale energy storage due to their cost-effectiveness and high operating voltage. However, achieving the theoretical capacity is challenging due to the limitations of the electrode materials. To overcome this challenge, a K-doped Na0.67Mg2/9Mn2/3Cu1/9O2 cathode material was developed in this study to enhance the electrochemical performance and suppress structural evolution. Synthesized via a sol–gel method, Na0.62K0.05Mg2/9Mn2/3Cu1/9O2 exhibited a superb capacity of 203 mAh g–1 compared to 185 mAh g–1 exhibited by its pristine material. X-ray photoelectron spectroscopy confirmed that oxygen was involved in the electrochemical reactions occurring at high voltage, while operando synchrotron X-ray diffraction showed no P2–O2 structural evolution that occurred during battery cycling. This approach demonstrates the feasibility of using cationic doping to enhance the cycling stability of sodium-ion battery cathodes and their anionic redox potentials for increasing battery capacities, offering new opportunities for the use of high-performance cathode materials in large-scale energy storage systems.