Hydrogen peroxide (H2O2) is a valuable chemical with a wide range of applications, but the current industrial synthesis of H2O2 involves an energy-intensive anthraquinone process. The electrochemical synthesis of H2O2 from oxygen reduction offers an alternative route for on-site applications; the efficiency of this process depends greatly on identifying cost-effective catalysts with high activity and selectivity. Here, we demonstrate a facile and general approach to catalyst development via the surface oxidation of abundant carbon materials to significantly enhance both the activity and selectivity (~90%) for H2O2 production by electrochemical oxygen reduction. We find that both the activity and selectivity are positively correlated with the oxygen content of the catalysts. The density functional theory calculations demonstrate that the carbon atoms adjacent to several oxygen functional groups (–COOH and C–O–C) are the active sites for oxygen reduction reaction via the two-electron pathway, which are further supported by a series of control experiments. The direct synthesis of hydrogen peroxide via oxygen reduction is an attractive alternative to the anthraquinone process. Here, a general trend linking oxygenation of carbon surfaces with electrocatalytic performance in peroxide synthesis is demonstrated, and computational studies provide further insight into the nature of the active sites.

Extreme fast charging, with a goal of 15 minutes recharge time, is poised to accelerate mass market adoption of electric vehicles, curb greenhouse gas emissions and, in turn, provide nations with greater energy security. However, the realization of such a goal requires research and development across multiple levels, with battery technology being a key technical barrier. The present-day high-energy lithium-ion batteries with graphite anodes and transition metal oxide cathodes in liquid electrolytes are unable to achieve the fast-charging goal without negatively affecting electrochemical performance and safety. Here we discuss the challenges and future research directions towards fast charging at the level of battery materials from mass transport, charge transfer and thermal management perspectives. Moreover, we highlight advanced characterization techniques to fundamentally understand the failure mechanisms of batteries during fast charging, which in turn would inform more rational battery designs. Along with high energy density, fast-charging ability would enable battery-powered electric vehicles. Here Yi Cui and colleagues review battery materials requirements for fast charging and discuss future design strategies.

Developing earth-abundant, active and stable electrocatalysts which operate in the same electrolyte for water splitting, including oxygen evolution reaction and hydrogen evolution reaction, is important for many renewable energy conversion processes. Here we demonstrate the improvement of catalytic activity when transition metal oxide (iron, cobalt, nickel oxides and their mixed oxides) nanoparticles (∼20 nm) are electrochemically transformed into ultra-small diameter (2-5 nm) nanoparticles through lithium-induced conversion reactions. Different from most traditional chemical syntheses, this method maintains excellent electrical interconnection among nanoparticles and results in large surface areas and many catalytically active sites. We demonstrate that lithium-induced ultra-small NiFeOx nanoparticles are active bifunctional catalysts exhibiting high activity and stability for overall water splitting in base. We achieve 10 mA cm(-2) water-splitting current at only 1.51 V for over 200 h without degradation in a two-electrode configuration and 1 M KOH, better than the combination of iridium and platinum as benchmark catalysts.

Significance A series of metal sulfides were systematically investigated as polar hosts to reveal the key parameters correlated to the energy barriers and polysulfide adsorption capability in Li−S batteries. The investigation demonstrates that the catalyzing oxidation capability of metal sulfides is critical in reducing the energy barrier and contributing to the remarkably improved battery performance. Density functional theory simulation allows us to identify the mechanism for how binding energy and polysulfides trapping dominate the Li 2 S decomposition process and overall battery performance. The understanding can serve as a general guiding principle for the rational design and screening of advanced materials for high-energy Li−S batteries.

An artificial solid electrolyte interphase (SEI) is demonstrated for the efficient and safe operation of a lithium metal anode. Composed of lithium-ion-conducting inorganic nanoparticles within a flexible polymer binder matrix, the rationally designed artificial SEI not only mechanically suppresses lithium dendrite formation but also promotes homogeneous lithium-ion flux, significantly enhancing the efficiency and cycle life of the lithium metal anode.

High ionic conductivity solid polymer electrolyte (SPE) has long been desired for the next generation high energy and safe rechargeable lithium batteries. Among all of the SPEs, composite polymer electrolyte (CPE) with ceramic fillers has garnered great interest due to the enhancement of ionic conductivity. However, the high degree of polymer crystallinity, agglomeration of ceramic fillers, and weak polymer-ceramic interaction limit the further improvement of ionic conductivity. Different from the existing methods of blending preformed ceramic particles with polymers, here we introduce an in situ synthesis of ceramic filler particles in polymer electrolyte. Much stronger chemical/mechanical interactions between monodispersed 12 nm diameter SiO2 nanospheres and poly(ethylene oxide) (PEO) chains were produced by in situ hydrolysis, which significantly suppresses the crystallization of PEO and thus facilitates polymer segmental motion for ionic conduction. In addition, an improved degree of LiClO4 dissociation can also be achieved. All of these lead to good ionic conductivity (1.2 × 10(-3) S cm(-1) at 60 °C, 4.4 × 10(-5) S cm(-1) at 30 °C). At the same time, largely extended electrochemical stability window up to 5.5 V can be observed. We further demonstrated all-solid-state lithium batteries showing excellent rate capability as well as good cycling performance.

Abstract Lithium metal is the ideal anode for the next generation of high-energy-density batteries. Nevertheless, dendrite growth, side reactions and infinite relative volume change have prevented it from practical applications. Here, we demonstrate a promising metallic lithium anode design by infusing molten lithium into a polymeric matrix. The electrospun polyimide employed is stable against highly reactive molten lithium and, via a conformal layer of zinc oxide coating to render the surface lithiophilic, molten lithium can be drawn into the matrix, affording a nano-porous lithium electrode. Importantly, the polymeric backbone enables uniform lithium stripping/plating, which successfully confines lithium within the matrix, realizing minimum volume change and effective dendrite suppression. The porous electrode reduces the effective current density; thus, flat voltage profiles and stable cycling of more than 100 cycles is achieved even at a high current density of 5 mA cm −2 in both carbonate and ether electrolyte. The advantages of the porous, polymeric matrix provide important insights into the design principles of lithium metal anodes.

Significance This research paper presents a novel strategy for the fabrication of metal–scaffold composite materials. Particularly, molten lithium metal is infused into a surface-modified three-dimensional matrix with a “lithiophilic” coating. The resulting lithium–scaffold composite was used as battery anodes and exhibited superior performance compared with bare lithium metal anodes. Whereas the emphasis of this study is on lithium anodes, our present work opens up a direction for realization of other metal-anode–based systems. We believe the present work will contribute significantly to the energy-related field and also inspire research in other areas.

Solar energy is readily available in most climates and can be used for water purification. However, solar disinfection of drinking water mostly relies on ultraviolet light, which represents only 4% of the total solar energy, and this leads to a slow treatment speed. Therefore, the development of new materials that can harvest visible light for water disinfection, and so speed up solar water purification, is highly desirable. Here we show that few-layered vertically aligned MoS2 (FLV-MoS2) films can be used to harvest the whole spectrum of visible light (∼50% of solar energy) and achieve highly efficient water disinfection. The bandgap of MoS2 was increased from 1.3 to 1.55 eV by decreasing the domain size, which allowed the FLV-MoS2 to generate reactive oxygen species (ROS) for bacterial inactivation in the water. The FLV-MoS2 showed a ∼15 times better log inactivation efficiency of the indicator bacteria compared with that of bulk MoS2, and a much faster inactivation of bacteria under both visible light and sunlight illumination compared with the widely used TiO2. Moreover, by using a 5 nm copper film on top of the FLV-MoS2 as a catalyst to facilitate electron–hole pair separation and promote the generation of ROS, the disinfection rate was increased a further sixfold. With our approach, we achieved water disinfection of >99.999% inactivation of bacteria in 20 min with a small amount of material (1.6 mg l–1) under simulated visible light. Few-layered, vertically aligned MoS2 films can efficiently harvest visible light for photocatalytic water disinfection, allowing >99.999% bacteria to be rapidly inactivated.