Abstract It is highly profitable to transform glycerol – the main by-product from biodiesel production to high value-added chemicals. In this work, we develop a photoelectrochemical system based on nanoporous BiVO 4 for selective oxidation of glycerol to 1,3-dihydroxyacetone – one of the most valuable derivatives of glycerol. Under AM 1.5G front illumination (100 mW cm −2 ) in an acidic medium (pH = 2) without adscititious oxidant, the nanoporous BiVO 4 photoanode achieves a glycerol oxidation photocurrent density of 3.7 mA cm −2 at a potential of 1.2 V versus RHE with 51% 1,3-dihydroxyacetone selectivity, equivalent to a production rate of 200 mmol of 1,3-dihydroxyacetone per m 2 of illumination area in one hour.

A micro-/nanostructured "superaerophilic" electrode constructed by direct growth of cobalt-incorporated and nitrogen-doped carbon-nanotube arrays with subsequent hydrophobic modification is demonstrated for a high-performance oxygen-reduction-reaction electrode, superior to the Pt/C–air electrode. This high performance is attributed to the simultaneously accelerated gas-diffusion and electron-transport processes induced by the unique structural advantages. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Photoelectrochemical (PEC) reduction of CO2 into chemical fuels and chemical building blocks is a promising strategy for addressing the energy and environmental challenges, which relies on the development of p-type photocathodes. Cu2O is such a p-type semiconductor for photocathodes but commonly suffers from detrimental photocorrosion and chemical changes. In this communication, we develop a facile procedure for coating a metal–organic framework (MOF) on the surface of a Cu2O photocathode, which can both prevent photocorrosion and offer active sites for CO2 reduction. As evidenced by ultrafast spectroscopy, the formed interface can effectively promote charge separation and transfer. As a result, both the activity and durability of Cu2O are dramatically enhanced for PEC CO2 reduction. This work provides fresh insights into the design of advanced hybrid photoelectrodes and highlights the important role of interfacial charge dynamics in PEC CO2 conversion.

Photocatalytic CO2 reduction is an appealing approach to convert solar energy into high value-added chemicals. All-inorganic CsPbBr3 quantum dots (QDs) have emerged as a promising photocatalyst for reducing CO2. However, pristine CsPbBr3 has a low catalytic performance, mainly due to severe charge recombination. Herein, a 0D/2D heterojunction of CsPbBr3 QDs/Bi2WO6 nanosheet (CPB/BWO) photocatalysts is fabricated for photocatalytic CO2 reduction. The CPB/BWO photocatalyst achieves excellent photocatalytic performance: the total yield of CH4/CO is 503 μmol g-1, nearly 9.5 times higher than the pristine CsPbBr3. The CPB/BWO heterojunction also exhibits much-improved stability during photocatalytic reactions. On the basis of various characterization techniques, our investigations verified a direct Z-scheme charge migration mechanism between CsPbBr3 QDs and Bi2WO6 nanosheets. The improved photocatalytic performance is originated from the high spatial separation of photoexcited charge carriers in CPB/BWO, which can also preserve strong individual redox abilities of two components. This work reports an efficient direct Z-scheme heterojunction photocatalytic system based on metal halide perovskites. The novel strategy we proposed may bring up new opportunities for the development of metal halide perovskite photocatalysts with greatly enhanced activities.

Photocatalysis provides an intriguing approach for the conversion of methane to multicarbon (C2+) compounds under mild conditions; however, with methyl radicals as the sole reaction intermediate, the current C2+ products are dominated by ethane, with a negligible selectivity toward ethylene, which, as a key chemical feedstock, possesses higher added value than ethane. Herein, we report a direct photocatalytic methane-to-ethylene conversion pathway involving the formation and dehydrogenation of alkoxy (i.e., methoxy and ethoxy) intermediates over a Pd-modified ZnO–Au hybrid catalyst. On the basis of various in situ characterizations, it is revealed that the Pd-induced dehydrogenation capability of the catalyst holds the key to turning on the pathway. During the reaction, methane molecules are first dissociated into methoxy on the surface of ZnO under the assistance of Pd. Then these methoxy intermediates are further dehydrogenated and coupled with methyl radical into ethoxy, which can be subsequently converted into ethylene through dehydrogenation. As a result, the optimized ZnO–AuPd hybrid with atomically dispersed Pd sites in the Au lattice achieves a methane conversion of 536.0 μmol g–1 with a C2+ compound selectivity of 96.0% (39.7% C2H4 and 54.9% C2H6 in total produced C2+ compounds) after 8 h of light irradiation. This work provides fresh insight into the methane conversion pathway under mild conditions and highlights the significance of dehydrogenation for enhanced photocatalytic activity and unsaturated hydrocarbon product selectivity.

Light-driven oxidative coupling of methane (OCM) for multi-carbon (C

Solar-driven, selective biomass hydrogenation is recognized as a promising route to renewable chemicals production, but remains challenging. Here, we report a TiO2 supported Cu single-atom catalyst with a four-coordinated Cu1−O4 structure, which can be universally applied for solar-driven production of various renewable chemicals from lignocellulosic biomass-derived platform molecules with good yields using green methanol as a hydrogen donor, to address this challenge. It is significant that the biomass upgrading driven by natural sunlight on a gram scale demonstrates the great practical potential. By combining in situ soft X-ray absorption spectroscopy with theoretical calculations, we successfully identify the dynamic evolution of Cu sites along with the biomass hydrogenation and methanol oxidation, where the tandem process is enabled by the photogenerated electrons and holes to complete a chemical cycle. The concept of solar-driven biomass hydrogenation proposed here provides an efficient and sustainable methodology for the sustainable production of renewable chemicals. The development of highly efficient catalysts for the selective upgrading of biomass remains a huge challenge. Here, the authors report a Cu single-atom catalyst that facilitates the solar-driven synthesis of renewable chemicals from lignocellulosic biomass and green methanol as a hydrogen donor.

Electrochemical nitrogen oxide ions reduction reaction (NOx−RR) shows great opportunity for ammonia production under ambient conditions. Yet, performing NOx−RR in strong acidic conditions remains challenging due to the corrosion effect on the catalyst and competing hydrogen evolution reactions. Here, we demonstrate a stable La1.5Sr0.5Ni0.5Fe0.5O4 perovskite oxide for the NOx−RR at pH 0, achieving a Faradaic efficiency for ammonia of approaching 100% at a current density of 2 A cm−2 in a H‐type cell. At industrially relevant current density, the NOx−RR system shows stable cell voltage and Faradaic efficiency for >350 h in membrane electrode assembly (MEA) at pH 0. By integrating the catalyst in a stacked MEA with a series connection, we have successfully obtained a record‐breaking 2.578 g h−1 NH3 production rate at 20 A. This catalyst's unique acid‐operability streamlines downstream ammonia utilization for direct ammonium salt production and upstream integration with NOx sources. Techno‐economic and lifecycle assessments reveal substantial economic advantages for this ammonia production strategy, even when coupled with a plasma‐based NOx production system, presenting a sustainable complement to the conventional Haber‐Bosch process.

Selective semihydrogenation of acetylene to ethylene in ethylene-rich gas streams is a significant industrial process for obtaining high-quality polyethylene products. The conventional thermal hydrogenation route requires high temperature (>100 °C), excess H2, and noble metal Pd to achieve satisfactory conversion efficiency. Therefore, the development of a more efficient and economical low-energy method for acetylene semihydrogenation is greatly desired yet challenging. Here, we report a noble-metal-free molecular system consisting of a bioinspired [CoII(N4S2)](ClO4)2 catalyst and a copper photosensitizer, which achieves photocatalytic semihydrogenation of acetylene to ethylene with over 96% selectivity and 96–99.9% conversion under ambient conditions for both pure acetylene and industrially relevant ethylene cofeed (containing 1% acetylene) conditions using water as a proton source. In addition, our catalytic system in deuterium oxide exhibits ability for deuterated ethylene production, which is an important building block for various deuterated polyolefins and chemicals.