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.

Efficient electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) play a critical role in the performance of fuel cells and metal–air batteries. In this study, we report a facile synthesis of phosphorus (P)-doped porous carbon as a highly active electrocatalyst for the ORR. Phosphorus-doped porous carbon was prepared by simultaneous doping and activation of carbon with phosphoric acid (H3PO4) in the presence of Co. Both phosphorus and cobalt were found to play significant roles in improving the catalytic activity of carbon for the ORR. The as-prepared phosphorus-doped porous carbon exhibited considerable catalytic activity for the ORR as evidenced by rotating ring-disk electrode studies. At the same mass loading, the Tafel slope of phosphorus-doped porous carbon electrocatalysts is comparable to that of the commercial Pt/C catalysts (20 wt% Pt on Vulcan XC-72, Johnson Matthey) with stability superior to Pt/C in alkaline solutions.

Field-free switching of perpendicular magnetization driven by magnons is a promising technology that can significantly reduce energy dissipation and potential damage to spintronic devices. However, achieving such switching experimentally often demands an additional in-plane magnetic field or other complex measures, severely limiting its prospects. Here, we have successfully demonstrated field-free switching of perpendicular magnetization through a magnon current with tilted polarization in specially designed all-oxide heterostructures of SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3. The ferromagnetic interface, resulting from charge reconstruction between the LaMnO3 and SrIrO3 layers, generates a tilted-polarized magnon current. This magnon current effectively breaks the mirror symmetry that traditionally hinders deterministic switching in spin-orbit torque setups and realizes field-free switching of perpendicular magnetization. In addition, the critical switching current density is significantly lower than that in conventional metallic systems. These findings open a promising avenue for developing highly efficient all-oxide spintronic devices that can be operated by magnon current.

Accelerating sluggish kinetics of CO2 reduction reaction (CO2RR) is of great importance for efficiently converting CO2 into valuable chemical products in solid oxide electrolysis cells (SOECs). Here, a novel dual-exsolution strategy is proposed to enhance CO2 electrolysis properties of La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ (LSCFN) cathode. With simultaneously exsolved CoFe alloy and Bi nanoparticles on LSCFN cathodic matrix, the as-prepared SOEC delivers a high current density of 539 mA cm−2 for CO2 electrolysis at 800 °C and 1.5 V, and successfully runs over 170 h without any attenuation. The introduction of Bi exsolution not only promotes CoFe exsolution, provides additional oxygen vacancies, but also greatly boost the kinetics of CO2 adsorption/dissociation/activation. This work offers new insights into tailoring perovskite electrocatalysts for the CO2 electrolysis via dual-exsolution strategy.