Compared to currently studied metal-based catalysts, metal-free heteroatom-doped carbon catalysts have many advantages including no issues of degradation and contamination from metal dissolution. Relying on single type of doping usually cannot yield optimal electronic and geometric structures favorable for the oxygen reduction reaction (ORR). Herein, heteroatom N, P, and S simultaneously doped graphene-like carbon (NPS-G) was successfully synthesized from onium salts by a facile one-step pyrolysis method. The resulting metal-free NPS-G catalyst with optimized N, P, and S contents exhibits enhanced catalytic activity towards the ORR in alkaline media, relative to any single doping. In particular, this metal-free catalyst shows an encouraging half-wave potential (E1/2 = 0.857 V) comparable to that of metal-based catalysts. It also demonstrates excellent electrochemical stability and methanol tolerance. This catalyst was further studied as a cathode in a primary Zn-air battery, showing exceptional open-circuit voltage (1.372 V) and power density (0.151 W cm−2). The NPS-G cathode delivers a specific capacity of 686 mA h gZn-1 at a current density of 10 mA cm−2 while utilizing 82.2% of the theoretical capacity (835 mA h gZn-1). The origin of high activity associated with various heteroatom dopings is elucidated through X-ray photoelectron spectroscopy analysis and density functional theory studies. The enhanced chemisorption of oxygen species (*OOH, *O and *OH) onto the dopants of the NPS-G catalysts reduces charge transfer resistance and facilitate the ORR. The porous 2D structure also contributes to the increase of active site density and facile mass transport.

Developing catalysts with high electrocatalytic activity for an oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) has recently attracted much attention because the sluggish kinetics of these two reactions limits the performance and commercialization of fuel cells and metal–air batteries. Herein, a facile template-free co-precipitation route was reported for the design and fabrication of well-ordered NiCo2O4 (NCO) spinel nanowire arrays. The as-prepared NCO spinel nanowire arrays are characterized by XRD, SEM, TEM, BET and XPS. BET results show that NCO spinel nanowire arrays have a mesoporous (ca. 8 nm) structure and a high specific surface area of 124 m2 g−1. The catalytic activity of NCO spinel nanowire arrays for the ORR and the OER in 0.1 M KOH solution has been studied by using a rotating ring-disk electrode (RRDE) technique. RRDE results show that the NCO spinel nanowire array catalyst exhibits excellent catalytic activity for the ORR. The ORR mainly favors a direct four electron pathway, which is close to the behavior of the Pt/C (20 wt% Pt on carbon) electrocatalyst under the same testing conditions. Anodic linear scanning voltammogram results show that the NCO spinel nanowire array catalyst is more active for the OER. The chronoamperometric and cyclic voltammogram tests show that the NCO spinel nanowire array catalyst exhibits excellent stability and reversibility for the ORR and the OER.

The degradation of organic dyes poses a significant challenge in achieving sustainable environmental solutions, given their extensive usage across various industries. Iron oxide (Fe2O3) nanoparticles are studied as a reliable technique for remediating dye degradation. The objective of this research is to improve methods of nanomaterial-based environmental remediation. The solvothermal technique is used to synthesize carbon-modified Fe2O3 nanoparticles that exhibit the capability to modify their size morphology and increase reactivity, and stability for MO photodegradation. Their inherent qualities render them highly advantageous for biomedical applications, energy storage, environmental remediation, and catalysis. The mean crystallite size of the modified Fe2O3 nanoparticles is approximately 20 nm. These photocatalysts are tested for their ability to degrade methyl orange (MO) under Visible light radiation and in presence of hydrogen peroxide reagent. The optimal degradation efficiency (97%) is achieved with Fe2O3@C in the presence of H2O2 by meticulously controlling the pH, irradiation time, and photocatalyst dosage. The enhanced photocatalytic activity of the Fe2O3@C nanoparticles, compared to pure Fe2O3, is attributed to the conductive carbon layer, which significantly reduces electron-hole recombination rates. To summarize, Fe2O3@C nanoparticles not only offer a promising technique for the degradation of MO dye pollutants but also have an advantage for environmental remediation due to their increased stability and reactivity.

Abstract The effect of rotational speeds on the growth kinetics of KDP crystal (101) faces is explored by the Michelson interference technique. The experimental results show that the growth rates rise as the rotational speed increases. The decrease in rotational speed affects the slopes of growth hillock on KDP crystal (101) faces, resulting in an overall decrease in the slopes. The kinetic coefficient of KDP crystal (101) face increases with increasing rotational speeds, and always βI, βII>βIII.