With the rapid development of portable electronics, such as e-paper and other flexible devices, practical power sources with ultrathin geometries become an important prerequisite, in which supercapacitors with in-plane configurations are recently emerging as a favorable and competitive candidate. As is known, electrode materials with two-dimensional (2D) permeable channels, high-conductivity structural scaffolds, and high specific surface areas are the indispensible requirements for the development of in-plane supercapacitors with superior performance, while it is difficult for the presently available inorganic materials to make the best in all aspects. In this sense, vanadium disulfide (VS2) presents an ideal material platform due to its synergic properties of metallic nature and exfoliative characteristic brought by the conducting S–V–S layers stacked up by weak van der Waals interlayer interactions, offering great potential as high-performance in-plane supercapacitor electrodes. Herein, we developed a unique ammonia-assisted strategy to exfoliate bulk VS2 flakes into ultrathin VS2 nanosheets stacked with less than five S–V–S single layers, representing a brand new two-dimensional material having metallic behavior aside from graphene. Moreover, highly conductive VS2 thin films were successfully assembled for constructing the electrodes of in-plane supercapacitors. As is expected, a specific capacitance of 4760 μF/cm2 was realized here in a 150 nm in-plane configuration, of which no obvious degradation was observed even after 1000 charge/discharge cycles, offering as a new in-plane supercapacitor with high performance based on quasi-two-dimensional materials.

Abstract The design of active, selective, and stable CO 2 reduction electrocatalysts is still challenging. A series of atomically dispersed Co catalysts with different nitrogen coordination numbers were prepared and their CO 2 electroreduction catalytic performance was explored. The best catalyst, atomically dispersed Co with two‐coordinate nitrogen atoms, achieves both high selectivity and superior activity with 94 % CO formation Faradaic efficiency and a current density of 18.1 mA cm −2 at an overpotential of 520 mV. The CO formation turnover frequency reaches a record value of 18 200 h −1 , surpassing most reported metal‐based catalysts under comparable conditions. Our experimental and theoretical results demonstrate that lower a coordination number facilitates activation of CO 2 to the CO 2 .− intermediate and hence enhances CO 2 electroreduction activity.

Boron, a nearest-neighbor of carbon, is possibly the second element that can possess free-standing flat monolayer structures, evidenced by recent successful synthesis of single-walled and multiwalled boron nanotubes (MWBNTs). From an extensive structural search using the first-principles particle-swarm optimization (PSO) global algorithm, two boron monolayers (α(1)- and β(1)-sheet) are predicted to be the most stable α- and β-types of boron sheets, respectively. Both boron sheets possess greater cohesive energies than the state-of-the-art two-dimensional boron structures (by more than 60 meV/atom based on density functional theory calculation using PBE0 hybrid functional), that is, the α-sheet previously predicted by Tang and Ismail-Beigi and the g(1/8)- and g(2/15)-sheets (both belonging to the β-type) recently reported by Yakobson and co-workers. Moreover, the PBE0 calculation predicts that the α-sheet is a semiconductor, while the α(1)-, β(1)-, g(1/8)-, and g(2/15)-sheets are all metals. When two α(1) monolayers are stacked on top each other, the bilayer α(1)-sheet remains flat with an optimal interlayer distance of ~3.62 Å, which is close to the measured interlayer distance (~3.2 Å) in MWBNTs.

Graphene is an important material with potential application in spintronics. Edge-modified zigzag graphene nanoribbons (ZGNR) are investigated with density functional theory. The modifications are realized by saturating the dangling edge bonds by different terminal groups, such as H, NH2, NO2, and CH3. Such modification has a significant impact on the ZGNR electronic structure. Half-metallicity is observed when ZGNR is terminated by NO2 groups at one edge and by CH3 groups on the other side. Free energy analysis suggests that edge-modification is a practical way in experiment to realize half-metallicity.

We report that the Kondo effect exerted by a magnetic ion depends on its chemical environment. A cobalt phthalocyanine molecule adsorbed on an Au111 surface exhibited no Kondo effect. Cutting away eight hydrogen atoms from the molecule with voltage pulses from a scanning tunneling microscope tip allowed the four orbitals of this molecule to chemically bond to the gold substrate. The localized spin was recovered in this artificial molecular structure, and a clear Kondo resonance was observed near the Fermi surface. We attribute the high Kondo temperature (more than 200 kelvin) to the small on-site Coulomb repulsion and the large half-width of the hybridized d-level.

Abstract Supported metal clusters containing only a few atoms are of great interest. Progress has been made in synthesis of metal single-atom catalysts. However, precise synthesis of metal dimers on high-surface area support remains a grand challenge. Here, we show that Pt 2 dimers can be fabricated with a bottom–up approach on graphene using atomic layer deposition, through proper nucleation sites creation, Pt 1 single-atom deposition and attaching a secondary Pt atom selectively on the preliminary one. Scanning transmission electron microscopy, x-ray absorption spectroscopy, and theoretical calculations suggest that the Pt 2 dimers are likely in the oxidized form of Pt 2 O x . In hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane, Pt 2 dimers exhibit a high specific rate of 2800 mol H2 mol Pt −1 min −1 at room temperature, ~17- and 45-fold higher than graphene supported Pt single atoms and nanoparticles, respectively. These findings open an avenue to bottom–up fabrication of supported atomically precise ultrafine metal clusters for practical applications.

Abstract Achieving active and stable oxygen evolution reaction (OER) in acid media based on single-atom catalysts is highly promising for cost-effective and sustainable energy supply in proton electrolyte membrane electrolyzers. Here, we report an atomically dispersed Ru 1 -N 4 site anchored on nitrogen-carbon support (Ru-N-C) as an efficient and durable electrocatalyst for acidic OER. The single-atom Ru-N-C catalyst delivers an exceptionally intrinsic activity, reaching a mass activity as high as 3571 A g metal −1 and turnover frequency of 3348 O 2 h −1 with a low overpotential of 267 mV at a current density of 10 mA cm −2 . The catalyst shows no evident deactivation or decomposition after 30-hour operation in acidic environment. Operando synchrotron radiation X-ray absorption spectroscopy and infrared spectroscopy identify the dynamic adsorption of single oxygen atom on Ru site under working potentials, and theoretical calculations demonstrate that the O-Ru 1 -N 4 site is responsible for the high OER activity and stability.