Abstract To achieve the energy‐effective ammonia (NH 3 ) production via the ambient‐condition electrochemical N 2 reduction reaction (NRR), it is vital to ingeniously design an efficient electrocatalyst assembling the features of abundant surface deficiency, good dispersibility, high conductivity, and large surface specific area (SSA) via a simple way. Inspired by the fact that the MXene contains thermodynamically metastable marginal transition metal atoms, the oxygen‐vacancy‐rich TiO 2 nanoparticles (NPs) in situ grown on the Ti 3 C 2 T x nanosheets (TiO 2 /Ti 3 C 2 T x ) are prepared via a one‐step ethanol‐thermal treatment of the Ti 3 C 2 T x MXene. The oxygen vacancies act as the main active sites for the NH 3 synthesis. The highly conductive interior untreated Ti 3 C 2 T x nanosheets could not only facilitate the electron transport but also avoid the self‐aggregation of the TiO 2 NPs. Meanwhile, the TiO 2 NPs generation could enhance the SSA of the Ti 3 C 2 T x in return. Accordingly, the as‐prepared electrocatalyst exhibits an NH 3 yield of 32.17 µg h −1 mg −1 cat. at −0.55 V versus reversible hydrogen electrode (RHE) and a remarkable Faradaic efficiency of 16.07% at −0.45 V versus RHE in 0.1 m HCl, placing it as one of the most promising NRR electrocatalysts. Moreover, the density functional theory calculations confirm the lowest NRR energy barrier (0.40 eV) of TiO 2 (101)/Ti 3 C 2 T x compared with Ti 3 C 2 T x or TiO 2 (101) alone.

Electrochemical reduction has emerged as an environmentally-benign and sustainable approach alternative to the Haber–Bosch process for artificial N2 fixation at ambient conditions, while the challenge associated with N2 activation underlines the demand of efficient electrocatalysts for the N2 reduction reaction (NRR). In this work, Nb2O5 nanofiber is experimentally proved to act as a non-noble-metal NRR electrocatalyst for N2 conversion to NH3 with high activity and selectivity. When tested in 0.1 M HCl, such Nb2O5 nanofiber achieves a high average NH3 yield (43.6 µg h−1 mg−1cat.) and a high Faradaic efficiency (9.26%) at − 0.55 V vs. reversible hydrogen electrode, rivaling the performances of most reported aqueous-based NRR electrocatalysts under ambient conditions and even comparable with those under high temperature and pressure. Notably, it also shows high stability during electrolysis and recycling test. The catalytic mechanism of NRR on Nb2O5 (181) surface is further discussed by density functional theory calculations.

MXene (e.g., Ti3 C2 ) represents an important class of two-dimensional (2D) materials owing to its unique metallic conductivity and tunable surface chemistry. However, the mainstream synthetic methods rely on the chemical etching of MAX powders (e.g., Ti3 AlC2 ) using hazardous HF or alike, leading to MXene sheets with fluorine termination and poor ambient stability in colloidal dispersions. Here, we demonstrate a fluoride-free, iodine (I2 ) assisted etching route for preparing 2D MXene (Ti3 C2 Tx , T=O, OH) with oxygen-rich terminal groups and intact lattice structure. More than 71 % of sheets are thinner than 5 nm with an average size of 1.8 μm. They present excellent thin-film conductivity of 1250 S cm-1 and great ambient stability in water for at least 2 weeks. 2D MXene sheets with abundant oxygen surface groups are excellent electrode materials for supercapacitors, delivering a high gravimetric capacitance of 293 F g-1 at a scan rate of 1 mV s-1 , superior to those made from fluoride-based etchants (<290 F g-1 at 1 mV s-1 ). Our strategy provides a promising pathway for the facile and sustainable production of highly stable MXene materials.

Abstract The past decade has witnessed substantial advances in the synthesis of various electrode materials with three-dimensional (3D) ordered macroporous or mesoporous structures (the so-called “inverse opals”) for applications in electrochemical energy storage devices. This review summarizes recent advancements in 3D ordered porous (3DOP) electrode materials and their unusual electrochemical properties endowed by their intrinsic and geometric structures. The 3DOP electrode materials discussed here mainly include carbon materials, transition metal oxides (such as TiO 2 , SnO 2 , Co 3 O 4 , NiO, Fe 2 O 3 , V 2 O 5 , Cu 2 O, MnO 2 , and GeO 2 ), transition metal dichalcogenides (such as MoS 2 and WS 2 ), elementary substances (such as Si, Ge, and Au), intercalation compounds (such as Li 4 Ti 5 O 12 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 ), and conductive polymers (polypyrrole and polyaniline). Representative applications of these materials in Li ion batteries, aqueous rechargeable lithium batteries, Li-S batteries, Li-O 2 batteries, and supercapacitors are presented. Particular focus is placed on how ordered porous structures influence the electrochemical performance of electrode materials. Additionally, we discuss research opportunities as well as the current challenges to facilitate further contributions to this emerging research frontier.

Rechargeable sodium-iodine (Na-I2 ) batteries are attracting growing attention for grid-scale energy storage due to their abundant resources, low cost, environmental friendliness, high theoretical capacity (211 mAh g-1 ), and excellent electrochemical reversibility. Nevertheless, the practical application of Na-I2 batteries is severely hindered by their poor cycle stability owing to the serious dissolution of polyiodide in the electrolyte during charge/discharge processes. Herein, the atomic modulation of metal-bis(dihydroxy) species in a fully conjugated phthalocyanine copper metal-organic framework (MOF) for suppression of polyiodide dissolution toward long-time cycling Na-I2 batteries is demonstrated. The Fe2 [(2,3,9,10,16,17,23,24-octahydroxy phthalocyaninato)Cu] MOF composited with I2 (Fe2 -O8 -PcCu/I2 ) serves as a cathode for a Na-I2 battery exhibiting a stable specific capacity of 150 mAh g-1 after 3200 cycles and outperforming the state-of-the-art cathodes for Na-I2 batteries. Operando spectroelectrochemical and electrochemical kinetics analyses together with density functional theory calculations reveal that the square planar iron-bis(dihydroxy) (Fe-O4 ) species in Fe2 -O8 -PcCu are responsible for the binding of polyiodide to restrain its dissolution into electrolyte. Besides the monovalent Na-I2 batteries in organic electrolytes, the Fe2 -O8 -PcCu/I2 cathode also operates stably in other metal-I2 batteries like aqueous multivalent Zn-I2 batteries. Thus, this work offers a new strategy for designing stable cathode materials toward high-performance metal-iodine batteries.

The chaotropic salt electrolyte (CSE) has become an effective strategy to activate low-temperature aqueous zinc-ion batteries. However, the Zn battery performance has been largely compromised due to the side reaction of active water molecules in CSE. Herein we design a Zn(BF4)2 in a propylene carbonate–water cosolvent electrolyte that facilitates the zinc plating/stripping in a wide temperature range (−40 to 60 °C). Theoretical and experimental results demonstrate the dual effect of propylene carbonate on regulating the hydrogen bond network and reshaping the Zn2+ solvation structure, bringing the antifreezing property and smooth Zn plating/stripping. Consequently, at −20 °C, the Cu//Zn asymmetric cell can achieve stable cycling for over 4000 h at 0.5 mAh cm–2. At −40 °C, the Zn//tetrachlorobenzoquinone full battery can deliver a reversible specific capacity of 77.9 mAh g–1 after 700 cycles. This work presents an effective strategy for the development of high-performance ZIBs in a wide temperature range.

The global clean energy transition and carbon neutrality call for developing high‐performance new batteries. Here we report a rechargeable lithium metal ‐ catalytic hydrogen gas (Li‐H) hybrid battery utilizing two of the lightest elements, Li and H. The Li‐H battery operates through redox of H2/H+ on the cathode and Li/Li+ on the anode. The universal properties of the H2 cathode enable the battery to demonstrate attractive electrochemical performance, including high theoretical specific energy up to 2632 Wh kg‐1, discharge voltage of 3 V, round‐trip efficiency of 99.7%, reversible areal capacity of 5~20 mAh cm‐2, all‐climate characteristics with a wide operational temperature range of ‐20 ~ 80 °C, and high utilization of active materials. A rechargeable anode‐free Li‐H battery is further constructed by plating Li metal from cost‐effective lithium salts under a low catalyst loading of < 0.1 mg cm‐2. This work presents a route to design batteries based on catalytic hydrogen gas cathode for high‐performance energy storage applications.

The global clean energy transition and carbon neutrality call for developing high‐performance new batteries. Here we report a rechargeable lithium metal ‐ catalytic hydrogen gas (Li‐H) hybrid battery utilizing two of the lightest elements, Li and H. The Li‐H battery operates through redox of H2/H+ on the cathode and Li/Li+ on the anode. The universal properties of the H2 cathode enable the battery to demonstrate attractive electrochemical performance, including high theoretical specific energy up to 2632 Wh kg‐1, discharge voltage of 3 V, round‐trip efficiency of 99.7%, reversible areal capacity of 5~20 mAh cm‐2, all‐climate characteristics with a wide operational temperature range of ‐20 ~ 80 °C, and high utilization of active materials. A rechargeable anode‐free Li‐H battery is further constructed by plating Li metal from cost‐effective lithium salts under a low catalyst loading of < 0.1 mg cm‐2. This work presents a route to design batteries based on catalytic hydrogen gas cathode for high‐performance energy storage applications.