We report selective electrocatalytic reduction of carbon dioxide to carbon monoxide on gold nanoparticles (NPs) in 0.5 M KHCO3 at 25 °C. Among monodisperse 4, 6, 8, and 10 nm NPs tested, the 8 nm Au NPs show the maximum Faradaic efficiency (FE) (up to 90% at -0.67 V vs reversible hydrogen electrode, RHE). Density functional theory calculations suggest that more edge sites (active for CO evolution) than corner sites (active for the competitive H2 evolution reaction) on the Au NP surface facilitates the stabilization of the reduction intermediates, such as COOH*, and the formation of CO. This mechanism is further supported by the fact that Au NPs embedded in a matrix of butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate for more efficient COOH* stabilization exhibit even higher reaction activity (3 A/g mass activity) and selectivity (97% FE) at -0.52 V (vs RHE). The work demonstrates the great potentials of using monodisperse Au NPs to optimize the available reaction intermediate binding sites for efficient and selective electrocatalytic reduction of CO2 to CO.

In this communication, we show that ultrathin Au nanowires (NWs) with dominant edge sites on their surface are active and selective for electrochemical reduction of CO2 to CO. We first develop a facile seed-mediated growth method to synthesize these ultrathin (2 nm wide) Au NWs in high yield (95%) by reducing HAuCl4 in the presence of 2 nm Au nanoparticles (NPs). These NWs catalyze CO2 reduction to CO in aqueous 0.5 M KHCO3 at an onset potential of −0.2 V (vs reversible hydrogen electrode). At −0.35 V, the reduction Faradaic efficiency (FE) reaches 94% (mass activity 1.84 A/g Au) and stays at this level for 6 h without any noticeable activity change. Density functional theory (DFT) calculations suggest that the excellent catalytic performance of these Au NWs is attributed both to their high mass density of reactive edge sites (≥16%) and to the weak CO binding on these sites. These ultrathin Au NWs are the most efficient nanocatalyst ever reported for electrochemical reduction of CO2 to CO.

Fully ordered face-centered tetragonal (fct) FePt nanoparticles (NPs) are synthesized by thermal annealing of the MgO-coated dumbbell-like FePt-Fe3O4 NPs followed by acid washing to remove MgO. These fct-FePt NPs show strong ferromagnetism with room temperature coercivity reaching 33 kOe. They serve as a robust electrocatalyst for the oxygen reduction reaction (ORR) in 0.1 M HClO4 and hydrogen evolution reaction (HER) in 0.5 M H2SO4 with much enhanced activity (the most active fct-structured alloy NP catalyst ever reported) and stability (no obvious Fe loss and NP degradation after 20 000 cycles between 0.6 and 1.0 V (vs RHE)). Our work demonstrates a reliable approach to FePt NPs with much improved fct-ordering and catalytic efficiency for ORR and HER.

Lithium ion capacitors are new energy storage devices combining the complementary features of both electric double‐layer capacitors and lithium ion batteries. A key limitation to this technology is the kinetic imbalance between the Faradaic insertion electrode and capacitive electrode. Here, we demonstrate that the Li 3 VO 4 with low Li‐ion insertion voltage and fast kinetics can be favorably used for lithium ion capacitors. N‐doped carbon‐encapsulated Li 3 VO 4 nanowires are synthesized through a morphology‐inheritance route, displaying a low insertion voltage between 0.2 and 1.0 V, a high reversible capacity of ≈400 mAh g −1 at 0.1 A g −1 , excellent rate capability, and long‐term cycling stability. Benefiting from the small nanoparticles, low energy diffusion barrier and highly localized charge‐transfer, the Li 3 VO 4 /N‐doped carbon nanowires exhibit a high‐rate pseudocapacitive behavior. A lithium ion capacitor device based on these Li 3 VO 4 /N‐doped carbon nanowires delivers a high energy density of 136.4 Wh kg −1 at a power density of 532 W kg −1 , revealing the potential for application in high‐performance and long life energy storage devices.

Catalysts for oxygen evolution reaction (OER) are pivotal to the scalable storage of sustainable energy by means of converting water to oxygen and hydrogen fuel. Designing efficient electrocatalysis combining the features of excellent electrical conductivity, abundant active surface, and structural stability remains a critical challenge. Here, we report the rational design and controlled synthesis of metallic transition metal selenide NiCo2Se4-based holey nanosheets as a highly efficient and robust OER electrocatalyst. Benefiting from synergistic effects of metallic nature, heteroatom doping, and holey nanoarchitecture, NiCo2Se4 holey nanosheets exhibit greatly enhanced kinetics and improved cycling stability for OER. When further employed as an alkaline electrolyzer, the NiCo2Se4 holey nanosheet electrocatalyst enables a high-performing overall water splitting with a low applied external potential of 1.68 V at 10 mA cm–2. This work not only represents a promising strategy to design the efficient and robust OER catalysts but also provides fundamental insights into the structure−property−performance relationship of transition metal selenide-based electrocatalytic materials.

We report a general approach to NiAu alloy nanoparticles (NPs) by co-reduction of Ni(acac)2 (acac = acetylacetonate) and HAuCl4·3H2O at 220 °C in the presence of oleylamine and oleic acid. Subject to potential cycling between 0.6 and 1.0 V (vs reversible hydrogen electrode) in 0.5 M H2SO4, the NiAu NPs are transformed into core/shell NiAu/Au NPs that show much enhanced catalysis for hydrogen evolution reaction (HER) with Pt-like activity and much robust durability. The first-principles calculations suggest that the high activity arises from the formation of Au sites with low coordination numbers around the shell. Our synthesis is not limited to NiAu but can be extended to FeAu and CoAu as well, providing a general approach to MAu/Au NPs as a class of new catalyst superior to Pt for water splitting and hydrogen generation.

Abstract Developing highly efficient hydrogen evolution reaction (HER) catalysts in alkaline media is considered significant and valuable for water splitting. Herein, it is demonstrated that surface reorganization engineering by oxygen plasma engraving on electocatalysts successfully realizes a dramatically enhanced alkaline HER activity. Taking CoP nanowire arrays grown on carbon cloth (denoted as CoP NWs/CC) as an example, the oxygen plasma engraving can trigger moderate CoO x species formation on the surface of the CoP NWs/CC, which is visually verified by the X‐ray absorption fine structure, high‐resolution transmission electron microscopy, and energy‐dispersive spectrometer (EDS) mapping. Benefiting from the moderate CoO x species formed on the surface, which can promote the water dissociation in alkaline HER, the surface reorganization of the CoP NWs/CC realizes almost fourfold enhanced alkaline HER activity and a 180 mV decreased overpotential at 100 mA cm −2 , compared with the pristine ones. More interestingly, this surface reorganization strategy by oxygen plasma engraving can also be effective to other electrocatalysts such as free‐standing CoP, Co 4 N, O‐CoSe 2 , and C‐CoSe 2 nanowires, which verifies the universality of the strategy. This work thus opens up new avenues for designing alkaline HER electrocatalysts based on oxygen plasma engraving.

The redox reaction centers in natural organisms conducting oxygenic photosynthesis are well arranged in a physically separated manner to convert sunlight into chemical energy efficiently. Mimicking natural photosynthesis via precisely constructing oxidative and reductive reaction centers within photocatalysts is ideal for enhancing catalytic performances in artificial photosynthesis. In this study, new covalent heptazine frameworks (CHFs) with spatially separated redox centers are rationally designed for photocatalytic production of H2 O2 from water and oxygen without using any sacrificial agents. Both experimental and computational investigations indicate that the two-electron oxygen reduction reaction occurs on the heptazine moiety, whereas the two-electron water oxidation reaction occurs on the acetylene or diacetylene bond in the CHFs. This unique spatial separation feature is critical for enhancing charge separation and achieving efficient H2 O2 production. Meanwhile, the measured exciton binding energy of the diacetylene-containing polymer is merely 24 meV. Under simulated solar irradiation, the rationally designed CHFs can achieve a solar-to-chemical conversion efficiency of 0.78%, surpassing previously reported photocatalytic materials. This study establishes a molecular engineering approach to construct periodically arranged and spatially separated redox centers in single-component polymer photocatalysts, representing a hallmark to create more exciting polymer structures for photocatalysis moving forward.

In this work, large size (i.e., diameter > 100 nm) graphene tubes with nitrogen‐doping are prepared through a high‐temperature graphitization process of dicyandiamide (DCDA) and Iron(II) acetate templated by a novel metal–organic framework (MIL‐100(Fe)). The nitrogen‐doped graphene tube (N‐GT)‐rich iron‐nitrogen‐carbon (Fe‐N‐C) catalysts exhibit inherently high activity towards the oxygen reduction reaction (ORR) in more challenging acidic media. Furthermore, aiming to improve the activity and stability of conventional Pt catalysts, the ORR active N‐GT is used as a matrix to disperse Pt nanoparticles in order to build a unique hybrid Pt cathode catalyst. This is the first demonstration of the integration of a highly active Fe‐N‐C catalyst with Pt nanoparticles. The synthesized 20% Pt/N‐GT composite catalysts demonstrate significantly enhanced ORR activity and H 2 ‐air fuel cell performance relative to those of 20% Pt/C, which is mainly attributed to the intrinsically active N‐GT matrix along with possible synergistic effects between the non‐precious metal active sites and the Pt nanoparticles. Unlike traditional Pt/C, the hybrid catalysts exhibit excellent stability during the accelerated durability testing, likely due to the unique highly graphitized graphene tube morphologies, capable of providing strong interaction with Pt nanoparticles and then preventing their agglomeration.