Abstract Achieving active and stable oxygen evolution reaction (OER) in acid media based on single-atom catalysts is highly promising for cost-effective and sustainable energy supply in proton electrolyte membrane electrolyzers. Here, we report an atomically dispersed Ru 1 -N 4 site anchored on nitrogen-carbon support (Ru-N-C) as an efficient and durable electrocatalyst for acidic OER. The single-atom Ru-N-C catalyst delivers an exceptionally intrinsic activity, reaching a mass activity as high as 3571 A g metal −1 and turnover frequency of 3348 O 2 h −1 with a low overpotential of 267 mV at a current density of 10 mA cm −2 . The catalyst shows no evident deactivation or decomposition after 30-hour operation in acidic environment. Operando synchrotron radiation X-ray absorption spectroscopy and infrared spectroscopy identify the dynamic adsorption of single oxygen atom on Ru site under working potentials, and theoretical calculations demonstrate that the O-Ru 1 -N 4 site is responsible for the high OER activity and stability.

Abstract Single-atom catalysts offering intriguing activity and selectivity are subject of intense investigation. Understanding the nature of single-atom active site and its dynamics under working state are crucial to improving their catalytic performances. Here, we identify at atomic level a general evolution of single atom into a near-free state under electrocatalytic hydrogen evolution condition, via operando synchrotron X-ray absorption spectroscopy. We uncover that the single Pt atom tends to dynamically release from the nitrogen-carbon substrate, with the geometric structure less coordinated to support and electronic property closer to zero valence, during the reaction. Theoretical simulations support that the Pt sites with weakened Pt–support interaction and more 5 d density are the real active centers. The single-atom Pt catalyst exhibits very high hydrogen evolution activity with only 19 mV overpotential in 0.5 M H 2 SO 4 and 46 mV in 1.0 M NaOH at 10 mA cm −2 , and long-term durability in wide-pH electrolytes.

The development of atomically precise dinuclear heterogeneous catalysts is promising to achieve efficient catalytic performance and is also helpful to the atomic-level understanding on the synergy mechanism under reaction conditions. Here, we report a Ni2(dppm)2Cl3 dinuclear-cluster-derived strategy to a uniform atomically precise Ni2 site, consisting of two Ni1–N4 moieties shared with two nitrogen atoms, anchored on a N-doped carbon. By using operando synchrotron X-ray absorption spectroscopy, we identify the dynamically catalytic dinuclear Ni2 structure under electrochemical CO2 reduction reaction, revealing an oxygen-bridge adsorption on the Ni2–N6 site to form an O–Ni2–N6 structure with enhanced Ni–Ni interaction. Theoretical simulations demonstrate that the key O–Ni2–N6 structure can significantly lower the energy barrier for CO2 activation. As a result, the dinuclear Ni2 catalyst exhibits >94% Faradaic efficiency for efficient carbon monoxide production. This work provides bottom-up target synthesis approaches and evidences the identity of dinuclear sites active toward catalytic reactions.

Given the high safety, cost-effectiveness, and volumetric capacity, aqueous zinc-ion batteries (ZIBs) constitute a promising energy system, but the severe side reactions and dendrite growth at the anode/electrolyte interface limited ZIBs from large-scale utilization. Here, we proposed a facile strategy to stabilize the anode/electrolyte interface and enhance the reversibility of the zinc plating/stripping via additive engineering. A trace amount of the diethylene triaminepentaacetic acid (DTPA, 3 mM) was employed as an additive, which spontaneously adsorbed onto the Zn anode, and in-situ formed a complex interlayer. This interlayer effectively shielded the water molecules, leading to a superior anti-corrosion property, facilitating the desolvation and diffusion of Zn2+, and inducing the Zn (002) oriented deposition. As a result, outstanding durability was achieved at ultrahigh current density (3000 cycles at 100 mA·cm−2) and relatively high depth of discharge (140 h at 5 mA·cm−2, 85% DOD) in the Zn||Zn symmetric cell. Superior cyclability was also observed in the coin cell (1000 cycles at 5 A·g−1) and pouch cell (500 cycles at 1 A·g−1) with an NH4V4O10 cathode. Furthermore, the formation of complex molecule clusters was elucidated via in-situ Raman and the "bowl" morphologies are firstly visualized by SEM and AFM. These morphologies enable the rapid trapping of Zn2+oriented Zn deposition in the hollow area. We believe this work provides a novel strategy for long-term ZIB designs and offers new insights into the mechanisms for regulating zinc-oriented-deposition behavior at the molecular scale.

Withdrawal statement The authors have withdrawn their manuscript because they suspect that there may have been an issue with the data collection process, despite the fact that their proposal is original and beneficial. Therefore, the authors do not wish this work to be cited as reference for the project. If you have any questions, please contact the corresponding author.