Exploring efficient and inexpensive oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysts is of great importance for various electrochemical energy storage and conversion technologies. Ni-based electrocatalysts have been actively pursued because of their promising activity and earth abundance. However, the OER efficiency for most of the developed Ni-based electrocatalysts has been intrinsically limited due to their low electrical conductivity and poor active site exposure yield. Herein, we report metallic Ni3N nanosheets as an efficient OER electrocatalyst for the first time. The first-principles calculations and electrical transport property measurements unravel that the Ni3N is intrinsically metallic, and the carrier concentration can be remarkably improved with dimensional confinement. The EXAFS spectra provide solid evidence that the Ni3N nanosheets have disordered structure resultant of dimensional reduction, which then could provide more active sites for OER. Benefiting from enhanced electrical conductivity with metallic behavior and atomically disordered structure, the Ni3N nanosheets realize intrinsically improved OER activity compared with bulk Ni3N and NiO nanosheets. Our finding suggests that metallic nitride nanosheets could serve as a new group of OER electrocatalysts with excellent property.

Abstract Rational design of non‐noble materials as highly efficient, economical, and durable bifunctional catalysts for oxygen evolution and reduction reactions (OER/ORR) is currently a critical obstacle for rechargeable metal‐air batteries. A new route involving S was developed to achieve atomic dispersion of Fe‐N x species on N and S co‐decorated hierarchical carbon layers, resulting in single‐atom bifunctional OER/ORR catalysts for the first time. The abundant atomically dispersed Fe‐N x species are highly catalytically active, the hierarchical structure offers more opportunities for active sites, and the electrical conductivity is greatly improved. The obtained electrocatalyst exhibits higher limiting current density and a more positive half‐wave potential for ORR, as well as a lower overpotential for OER under alkaline conditions. Moreover, a rechargeable Zn–air battery device comprising this hybrid catalyst shows superior performance compared to Pt/C catalyst. This work will open a new avenue to design advanced bifunctional catalysts for reversible energy storage and conversion devices.

Abstract Designing highly efficient electrocatalysts for oxygen evolution reaction (OER) plays a key role in the development of various renewable energy storage and conversion devices. In this work, we developed metallic Co 4 N porous nanowire arrays directly grown on flexible substrates as highly active OER electrocatalysts for the first time. Benefiting from the collaborative advantages of metallic character, 1D porous nanowire arrays, and unique 3D electrode configuration, surface oxidation activated Co 4 N porous nanowire arrays/carbon cloth achieved an extremely small overpotential of 257 mV at a current density of 10 mA cm −2 , and a low Tafel slope of 44 mV dec −1 in an alkaline medium, which is the best OER performance among reported Co‐based electrocatalysts to date. Moreover, in‐depth mechanistic investigations demonstrate the active phases are the metallic Co 4 N core inside with a thin cobalt oxides/hydroxides shell during the OER process. Our finding introduces a new concept to explore the design of high‐efficiency OER electrocatalysts.

Developing non‐noble‐metal electrocatalysts with high activity and low cost for both the oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER) is of paramount importance for improving the generation of H 2 fuel by electrocatalytic water‐splitting. This study puts forward a new N‐anion‐decorated Ni 3 S 2 material synthesized by a simple one‐step calcination route, acting as a superior bifunctional electrocatalyst for the OER/HER for the first time. The introduction of N anions significantly modifies the morphology and electronic structure of Ni 3 S 2 , bringing high surface active sites exposure, enhanced electrical conductivity, optimal HER Gibbs free‐energy (ΔG H* ), and water adsorption energy change (ΔG H2O* ). Remarkably, the obtained N‐Ni 3 S 2 /NF 3D electrode exhibits extremely low overpotentials of 330 and 110 mV to reach a current density of 100 and 10 mA cm −2 for the OER and HER in 1.0 m KOH, respectively. Moreover, an overall water‐splitting device comprising this electrode delivers a current density of 10 mA cm −2 at a very low cell voltage of 1.48 V. Our finding introduces a new way to design advanced bifunctional catalysts for water splitting.

Abstract The electrocatalyzed oxygen reduction and evolution reactions (ORR and OER, respectively) are the core components of many energy conversion systems, including water splitting, fuel cells, and metal–air batteries. Rational design of highly efficient non‐noble materials as bifunctional ORR/OER electrocatalysts is of great importance for large‐scale practical applications. A new strongly coupled hybrid material is presented, which comprises CoO x nanoparticles rich in oxygen vacancies grown on B,N‐decorated graphene (CoO x NPs/BNG) and operates as an efficient bifunctional OER/ORR electrocatalyst. Advanced spectroscopic techniques were used to confirm formation of abundant oxygen vacancies and strong Co−N−C bridging bonds within the CoO x NPs/BNG hybrid. Surprisingly, the CoO x NPs/BNG hybrid electrocatalyst is highly efficient for the OER with a low overpotential and Tafel slope, and is active in the ORR with a positive half‐wave potential and high limiting current density in alkaline medium.

Abstract Developing highly active catalysts for the oxygen evolution reaction (OER) is of paramount importance for designing various renewable energy storage and conversion devices. Herein, we report the synthesis of a category of Co‐Pi analogue, namely cobalt‐based borate (Co‐B i ) ultrathin nanosheets/graphene hybrid by a room‐temperature synthesis approach. Benefiting from the high surface active sites exposure yield, enhanced electron transfer capacity, and strong synergetic coupled effect, this Co‐B i NS/G hybrid shows high catalytic activity with current density of 10 mA cm −2 at overpotential of 290 mV and Tafel slope of 53 mV dec −1 in alkaline medium. Moreover, Co‐B i NS/G electrocatalysts also exhibit promising performance under neutral conditions, with a low onset potential of 235 mV and high current density of 14.4 mA cm −2 at 1.8 V, which is the best OER performance among well‐developed Co‐based OER electrocatalysts to date. Our finding paves a way to develop highly active OER electrocatalysts.

The direct urea fuel cell (DUFC), as an efficient technology for generating power from urea, shows great potential for energy-sustainable development but is greatly hindered by the slow kinetics of the urea oxidation reaction (UOR). Herein, we highlighted a defect engineering strategy to design oxygen vacancy-rich NiMoO4 nanosheets as a promising platform to study the relationship between O vacancies and UOR activity. Experimental/theoretical results confirm that the rich O vacancies confined in NiMoO4 nanosheets successfully bring synergetic effects of higher exposed active sites, faster electron transport, and lower adsorption energy of urea molecules, giving rise to largely improved UOR activity. As expected, the r-NiMoO4/NF 3D electrode exhibits a higher current density of 249.5 mA cm–2, which is about 1.9 and 5.0 times larger than those of p-NiMoO4/NF and Ni-Mo precursor/NF at a potential of 0.6 V. Our finding will be a promising pathway to develop non-noble materials as highly efficient UOR catalysts.

Phase-transformation engineering is successfully applied in designing an alkaline hydrogen evolution reaction (HER) electrocatalyst. Benefiting from phase-transformation engineering, which endows higher electrical conductivity, ideal water adsorption energy, and faster transformation efficiency of Hads into hydrogen, cubic-phase CoSe2 realizes an enhanced electrocatalytic activity for HER under alkaline conditions. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Significance Ammonia is one of the most important chemical raw materials with an annual production exceeding 200 million tons. The Haber–Bosch process is still the dominant route for industrial ammonia synthesis, which consumes 1∼3% of global annual energy production and represents a significant contributor to climate change. Electrocatalytic N 2 reduction reaction is an attractive alternative candidate for carbon-free and sustainable NH 3 production, but often suffers from low efficiency. Here, we developed an interfacial engineering strategy for preparing a class of strongly coupled hybrid electrocatalysts for N 2 fixation. The hybrids exhibit superior N 2 reduction reaction activity with a high NH 3 Faradaic efficiency of 25.9% under ambient conditions. This strategy provides an approach to design advanced materials for ammonia production.