Direct electrochemical production of hydrogen peroxide (H2O2) through two-electron oxygen electrochemistry, for example, the oxygen reduction in fuel cells or water oxidation in water electrolyzers, could provide an attractive alternative to locally produce this chemical on demand. The efficiency of these processes depends greatly on the availability of cost-effective catalysts with high selectivity, activity, and stability. In recent years, various novel nanostructured materials have been reported to selectively produce H2O2. Through combined experimental and theoretical approaches, underlying mechanisms in the electrochemical synthesis of H2O2 via oxygen electrochemistry have been unveiled. Considering the remarkable progress in this area, the authors summarize recent developments regarding the direct production of H2O2 through two-electron electrochemical oxygen reactions. The fundamental aspects of electrochemical oxygen reactions are first introduced. Various types of catalysts that can effectively produce H2O2 via two-electron oxygen electrochemistry are then presented. In parallel, the unique structure-, component-, and composition-dependent electrochemical performance together with the underlying catalytic mechanisms are discussed. Finally, a brief conclusion about the recent progress achieved in electrochemical generation of H2O2 and an outlook on future research challenges are given.

It is commonly accepted that it is almost not possible to realize the large-scale practical application of fuel cells if the expensive noble metal-based electrocatalysts for oxygen reduction reactions (ORR) cannot be replaced by other low-cost, efficient, and stable ones. Herein, our studies demonstrate that iron phthalocyanine (FePc) supported on chemically reduced graphene through π–π interaction can act as a noble metal-free electrocatalyst with a comparable activity, long-term operation stability, and better tolerance to methanol crossover and CO poisoning compared with commercial Pt/C for ORR in alkaline media. The improved electrochemical activity and stability of FePc by graphene is mainly attributed to the inherent properties of graphene and the π-stacking interaction between FePc and planar aromatic structure of graphene. The as-prepared graphene–iron phthalocyanine (g-FePc) composite exhibits an efficient 4-electron pathway and can be used as a promising Pt-free ORR electrocatalyst.

The design and synthesis of highly active oxygen reduction reaction (ORR) catalysts with strong durability at low cost is extremely desirable but still remains a significant challenge. Here we develop an efficient strategy that utilizes organopalladium(I) complexes containing palladium-palladium bonds as precursors for the synthesis of strongly coupled Pd tetrahedron-tungsten oxide nanosheet hybrids (Pd/W18O49) to improve the electrocatalytic activity and stability of Pd nanocrystals. The hybrid materials are synthesized by direct nucleation, growth, and anchoring of Pd tetrahedral nanocrystals on the in situ-synthesized W18O49 nanosheets. Compared to supportless Pd nanocrystals and W18O49, their hybrids exhibited not only surprisingly high activity but also superior stability to Pt for the ORR in alkaline solutions. X-ray photoelectron spectroscopy, high-resolution transmission electron microscopy, and electrochemical analyses indicated that the enhanced electrocatalytic activity and durability are associated with the increased number and improved catalytic activity of active sites, which is induced by the strong interaction between the Pd tetrahedrons and W18O49 nanosheet supports. The present study provides a novel strategy for synthesizing hybrid catalysts with strong chemical attachment and electrical coupling between nanocatalysts and supports. The strategy is expected to open up exciting opportunities for developing a novel class of metal-support hybrid nanoelectrocatalysts with improved ORR activity and durability for both fuel cells and metal-air batteries.

Abstract Mycophenolic acid (MPA) from filamentous fungi is the first natural product antibiotic in human history and a first-line immunosuppressive drug for organ transplantations and autoimmune diseases. However, its biosynthetic mechanisms have remained a long-standing mystery. Here, we elucidate the MPA biosynthetic pathway that features both compartmentalized enzymatic steps and unique cooperation between biosynthetic and β -oxidation catabolism machineries based on targeted gene inactivation, feeding experiments in heterologous expression hosts, enzyme functional characterization and kinetic analysis, and microscopic observation of protein subcellular localization. Besides identification of the oxygenase MpaB’ as the long-sought key enzyme responsible for the oxidative cleavage of sesquiterpene side chain, we reveal the intriguing pattern of compartmentalization for the MPA biosynthetic enzymes, including the cytosolic polyketide synthase MpaC’ and O -methyltransferase MpaG’, the Golgi apparatus-associated prenyltransferase MpaA’, the endoplasmic reticulum-bound oxygenase MpaB’ and P450-hydrolase fusion enzyme MpaDE’, and the peroxisomal acyl-CoA hydrolase MpaH’. The whole pathway is elegantly co-mediated by these compartmentalized enzymes, together with the peroxisomal β -oxidation machinery. Beyond characterizing the remaining outstanding steps of the MPA biosynthetic pathway, our study highlights the importance of considering subcellular contexts and the broader cellular metabolism in natural product biosynthesis. Significance Statement Here we elucidate the full biosynthetic pathway of the fungal natural product mycophenolic acid (MPA), which represents an unsolved mystery for decades. Besides the intriguing enzymatic mechanisms, we reveal that the MPA biosynthetic enzymes are elegantly compartmentalized; and the subcellular localization of the acyl-CoA hydrolase MpaH’ in peroxisomes is required for the unique cooperation between biosynthetic and β -oxidation catabolism machineries. This work highlights the importance of a cell biology perspective for understanding the unexplored organelle-associated essential catalytic mechanisms in natural product biosynthesis of fungi and other higher organisms. The insights provided by our work will also benefit future efforts for both industrial strain improvement and novel drug development.

Quinoxaline-based nonfullerene acceptors show highly tunable photoelectric properties and superior performance for sunlight utilization enabled by their powerful core-functionalization ability.

Regulating the geometric and electronic structures of single-atom catalysts could promote the potential to improve their enzyme-like catalytic performance. Herein, we demonstrate that concave single-atom Co catalysts with edge-hosted and dense active Co-N4 sites incorporated in nitrogen-doped hierarchical porous carbon (H-Co SACs) can act as highly efficient oxidase mimics. In particular, the engineered H-Co SACs with dense active Co-N4 moieties in the edge sites were found to display 3.1 times higher catalytic activity than that of traditional intact Co single-atom catalysts (L-Co SACs). Combined experimental and theoretical simulations reveal that the geometric structure and the interactions between adjacent edge-hosted CoN4 sites synergistically affect the electronic structure of the Co single-atom nanozymes, resulting in strong oxygen adsorption/activation and low energy barrier of the rate-determining step (RDS) in the reaction process, which are demonstrated be more beneficial for the oxidase-like catalytic performance. As a proof-of-concept application, the H-Co SACs were applied to the colorimetric enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) of neuron specific enolase (NSE) with a detection limit of 5.19 pg/ mL, outperforming both the intact Co single-atom catalysts and standard commercial ELISA kits. The present study could not only highlight the significance of geometric structure and active sites density effect on their enzyme-like catalytic efficiency, but also broaden their practical clinical application range of nanozymes at the atomic level.

Motivation: The pupil-fMRI correlation analysis reveals that erroneous pupillary light responses in AD mice are highly correlated to specific neuromodulatory systems. Goal(s): This study applied an explainable AI method with a pre-trained deep convolutional neural network to process pupil-fMRI interactive measurements of awake mice to verify AD biomarkers. Approach: Using the GradCAM method, we produced the saliency heatmap, which can be used to verify the underlying responsible functional nuclei for classification that could be impaired due to AD degeneration. Results: This study applied a novel GradCAM-based machine learning scheme to elucidate AD-specific pupillary responses based on impaired neuromodulatory dysfunction as a non-invasive AD biomarker. Impact: The GradCAM-based saliency map obtained with an XAI method could be used to verify the statistical differential maps of PLR-based fMRI correlation between AD and WT mice, providing a novel non-invasive AD bioimaging marker.