Electrochemical water splitting is a clean technology that can store the intermittent renewable wind and solar energy in H2 fuels. However, large-scale H2 production is greatly hindered by the sluggish oxygen evolution reaction (OER) kinetics at the anode of a water electrolyzer. Although many OER electrocatalysts have been developed to negotiate this difficult reaction, substantial progresses in the design of cheap, robust, and efficient catalysts are still required and have been considered a huge challenge. Herein, we report the simple synthesis and use of α-Ni(OH)2 nanocrystals as a remarkably active and stable OER catalyst in alkaline media. We found the highly nanostructured α-Ni(OH)2 catalyst afforded a current density of 10 mA cm(-2) at a small overpotential of a mere 0.331 V and a small Tafel slope of ~42 mV/decade, comparing favorably with the state-of-the-art RuO2 catalyst. This α-Ni(OH)2 catalyst also presents outstanding durability under harsh OER cycling conditions, and its stability is much better than that of RuO2. Additionally, by comparing the performance of α-Ni(OH)2 with two kinds of β-Ni(OH)2, all synthesized in the same system, we experimentally demonstrate that α-Ni(OH)2 effects more efficient OER catalysis. These results suggest the possibility for the development of effective and robust OER electrocatalysts by using cheap and easily prepared α-Ni(OH)2 to replace the expensive commercial catalysts such as RuO2 or IrO2.

Abstract The electroreduction of water for sustainable hydrogen production is a critical component of several developing clean-energy technologies, such as water splitting and fuel cells. However, finding a cheap and efficient alternative catalyst to replace currently used platinum-based catalysts is still a prerequisite for the commercialization of these technologies. Here we report a robust and highly active catalyst for hydrogen evolution reaction that is constructed by in situ growth of molybdenum disulfide on the surface of cobalt diselenide. In acidic media, the molybdenum disulfide/cobalt diselenide catalyst exhibits fast hydrogen evolution kinetics with onset potential of −11 mV and Tafel slope of 36 mV per decade, which is the best among the non-noble metal hydrogen evolution catalysts and even approaches to the commercial platinum/carbon catalyst. The high hydrogen evolution activity of molybdenum disulfide/cobalt diselenide hybrid is likely due to the electrocatalytic synergistic effects between hydrogen evolution-active molybdenum disulfide and cobalt diselenide materials and the much increased catalytic sites.

Modern development of chemical manufacturing requires a substantial reduction in energy consumption and catalyst cost. Sunlight-driven chemical transformation by metal oxides holds great promise for this goal; however, it remains a grand challenge to efficiently couple solar energy into many catalytic reactions. Here we report that defect engineering on oxide catalyst can serve as a versatile approach to bridge light harvesting with surface reactions by ensuring species chemisorption. The chemisorption not only spatially enables the transfer of photoexcited electrons to reaction species, but also alters the form of active species to lower the photon energy requirement for reactions. In a proof of concept, oxygen molecules are activated into superoxide radicals on defect-rich tungsten oxide through visible-near-infrared illumination to trigger organic aerobic couplings of amines to corresponding imines. The excellent efficiency and durability for such a highly important process in chemical transformation can otherwise be virtually impossible to attain by counterpart materials.

The design of efficient, cheap, and abundant oxygen evolution reaction (OER) catalysts is crucial to the development of sustainable energy sources for powering fuel cells. We describe here a novel Mn(3)O(4)/CoSe(2) hybrid which could be a promising candidate for such electrocatalysts. Possibly due to the synergetic chemical coupling effects between Mn(3)O(4) and CoSe(2), the constructed hybrid displayed superior OER catalytic performance relative to its parent CoSe(2)/DETA nanobelts. Notably, such earth-abundant cobalt (Co)-based catalyst afforded a current density of 10 mA cm(-2) at a small overpotential of ~0.45 V and a small Tafel slope down to 49 mV/decade, comparable to the best performance of the well-investigated cobalt oxides. Moreover, this Mn(3)O(4)/CoSe(2) hybrid shows good stability in 0.1 M KOH electrolyte, which is highly required to a promising OER electrocatalyst.

The slow kinetics of the oxygen evolution reaction (OER) greatly hinders the large-scale production of hydrogen fuel from water splitting. Although many OER electrocatalysts have been developed to negotiate this difficult reaction, substantial progresses in the design of cheap, robust, and efficient catalysts are still required and have been considered a huge challenge. Here, we report a composite material consisting of CoSe2 nanobelts anchored on nitrogen-doped reduced graphene oxides (denoted as NG-CoSe2) as a highly efficient OER electrocatalyst. In 0.1 M KOH, the new NG-CoSe2 catalyst afforded a current density of 10 mA cm(-2) at a small overpotential of mere 0.366 V and a small Tafel slope of ∼40 mV/decade, comparing favorably with the state-of-the-art RuO2 catalyst. This NG-CoSe2 catalyst also presents better stability than that of RuO2 under harsh OER cycling conditions. Such good OER performance is comparable to the best literature results and the synergistic effect was found to boost the OER performance. These results raise the possibility for the development of effective and robust OER electrodes by using cheap and easily prepared NG-CoSe2 to replace the expensive commercial catalysts such as RuO2 and IrO2.

Photocatalytic conversion of CO2 to CH4, a carbon-neutral fuel, represents an appealing approach to remedy the current energy and environmental crisis; however, it suffers from the large production of CO and H2 by side reactions. The design of catalytic sites for CO2 adsorption and activation holds the key to address this grand challenge. In this Article, we develop highly selective sites for photocatalytic conversion of CO2 to CH4 by isolating Cu atoms in Pd lattice. According to our synchrotron-radiation characterizations and theoretical simulations, the isolation of Cu atoms in Pd lattice can play dual roles in the enhancement of CO2-to-CH4 conversion: (1) providing the paired Cu–Pd sites for the enhanced CO2 adsorption and the suppressed H2 evolution; and (2) elevating the d-band center of Cu sites for the improved CO2 activation. As a result, the Pd7Cu1–TiO2 photocatalyst achieves the high selectivity of 96% for CH4 production with a rate of 19.6 μmol gcat–1 h–1. This work provides fresh insights into the catalytic site design for selective photocatalytic CO2 conversion, and highlights the importance of catalyst lattice engineering at atomic precision to catalytic performance.

Surface charge state plays an important role in tuning the catalytic performance of nanocrystals in various reactions. Herein, we report a synthetic approach to unique Pt-Pd-graphene stack structures with controllable Pt shell thickness. These unique hybrid structures allow us to correlate the Pt thickness with performance in the hydrogen-evolution reaction (HER). The HER activity increases with a decrease in the Pt thickness, which is well explained by surface polarization mechanism as suggested by first-principles simulations. In this hybrid system, the difference in work functions of Pt and Pd results in surface polarization on the Pt surface, tuning its charge state for hydrogen reduction. Meanwhile, the supporting graphene provides two-dimensional channels for efficient charge transport, improving the HER activities. This work opens up possibilities of reducing Pt usage while achieving high HER performance.

Ultrafast spectroscopy demonstrates that charge transfer can occur between photoexcited inorganic semiconductors and metal-organic frameworks (MOFs), supplying long-lifetime electrons for the reduction of gas molecules adsorbed on the MOF. As a proof of concept, a unique method is developed for synthesizing Cu3 (BTC)2 @TiO2 core-shell structures with macroporous semiconductor shells that allow gas molecules to be captured in the cores.