Two-dimensional transition-metal dichalcogenides such as MoS2 are promising channel materials for transistor scaling. Here, we report the performance and environmental effects on back-gated bi-layer MoS2 field-effect transistors. The devices exhibit Ohmic contacts with titanium at room temperature, on/off ratio higher than 107, and current saturation. Furthermore, we show that the devices are sensitive to oxygen and water in the ambient. Exposure to ambient dramatically reduces the on-state current by up to 2 orders of magnitude likely due to additional scattering centers from chemisorption on the defect sites of MoS2. We demonstrate that vacuum annealing can effectively remove the absorbates and reversibly recover the device performances. This method significantly reduces the large variations in MoS2 device caused by extrinsic factors.

Transition metal phosphides (TMPs) have recently emerged as a new class of pre-catalysts that can efficiently catalyze the oxygen evolution reaction (OER). However, how the OER activity of TMPs varies with the catalyst composition has not been systematically explored. Here, we report the alkaline OER electrolysis of a series of nanoparticulate phosphides containing different equimolar metal (M = Fe, Co, Ni) components. Notable trends in OER activity are observed, following the order of FeP < NiP < CoP < FeNiP < FeCoP < CoNiP < FeCoNiP, which indicate that the introduction of a secondary metal(s) to a mono-metallic TMP substantially boosts the OER performance. We ascribe the promotional effect to the enhanced oxidizing power of bi- and tri-metallic TMPs that can facilitate the formation of MOH and chemical adsorption of OH- groups, which are the rate-limiting steps for these catalysts according to our Tafel analysis. Remarkably, the tri-metallic FeCoNiP pre-catalyst exhibits exceptionally high apparent and intrinsic OER activities, requiring only 200 mV to deliver 10 mA cm-2 and showing a high turnover frequency (TOF) of ≥0.94 s-1 at the overpotential of 350 mV.

Single atom catalysts exhibit particularly high catalytic activities in contrast to regular nanomaterial-based catalysts. Until recently, research has been mostly focused on single atom catalysts, and it remains a great challenge to synthesize bimetallic dimer structures. Herein, we successfully prepare high-quality one-to-one A-B bimetallic dimer structures (Pt-Ru dimers) through an atomic layer deposition (ALD) process. The Pt-Ru dimers show much higher hydrogen evolution activity (more than 50 times) and excellent stability compared to commercial Pt/C catalysts. X-ray absorption spectroscopy indicates that the Pt-Ru dimers structure model contains one Pt-Ru bonding configuration. First principle calculations reveal that the Pt-Ru dimer generates a synergy effect by modulating the electronic structure, which results in the enhanced hydrogen evolution activity. This work paves the way for the rational design of bimetallic dimers with good activity and stability, which have a great potential to be applied in various catalytic reactions.

Synergistic coupling of ruthenium with cobalt phosphide can significantly boost the hydrogen evolution performance of the hybrid catalysts in a wide pH range.

Transition metal phosphides (TMPs) have recently emerged as an important type of electrode material for use in supercapacitors thanks to their intrinsically outstanding specific capacity and high electrical conductivity. Herein, we report the synthesis of bimetallic CoxNi1–xP ultrafine nanocrystals supported on carbon nanofibers (CoxNi1–xP/CNF) and explore their use as positive electrode materials of asymmetric supercapacitors. We find that the Co:Ni ratio has a significant impact on the specific capacitance/capacity of CoxNi1–xP/CNF, and CoxNi1–xP/CNF with an optimal Co:Ni ratio exhibits an extraordinary specific capacitance/capacity of 3514 F g–1/1405.6 C g–1 at a charge/discharge current density of 5 A g–1, which is the highest value for TMP-based electrode materials reported by far. Our density functional theory calculations demonstrate that the significant capacitance/capacity enhancement in CoxNi1–xP/CNF, compared to the monometallic NiP/CNF and CoP/CNF, originates from the enriched density of states near the Fermi level. We further fabricate a flexible solid-state asymmetric supercapacitor using CoxNi1–xP/CNF as positive electrode material, activated carbon as negative electrode material, and a polymer gel as the electrolyte. The supercapacitor shows a specific capacitance/capacity of 118.7 F g–1/166.2 C g–1 at 20 mV s–1, delivers an energy density of 32.2 Wh kg–1 at 3.5 kW kg–1, and demonstrates good capacity retention after 10000 charge/discharge cycles, holding substantial promise for applications in flexible electronic devices.

Abstract Bismuth is a promising anode material for state‐of‐the‐art rechargeable batteries due to its high theoretical volumetric capacity and relatively low working potential. However, its charge storage mechanism is unclear, hindering further improvement of the cell performance. Here, using in situ transmission electron microscopy and X‐ray diffraction techniques as well as theoretical analysis, it is found that a large anisotropic volume expansion of 142% occurs along the z ‐axis largely due to the alloy reaction during sodiation, significantly reducing the electrochemical performance of bismuth electrodes. To address this problem, ultrathin few‐layer bismuthene with a large aspect ratio is rationally synthesized, and can relieve the expansion strain along the z ‐axis. A free‐standing bismuthene/graphene composite electrode with tunable thickness achieves a strikingly stable and high areal sodium storage capacity of 12.1 mAh cm −2 , which greatly exceeds that of most reported electrode materials. The clarification of the charge storage mechanism and the superior areal capacity achieved should facilitate the development of bismuth‐based high‐performance anodes for practical electrochemical energy‐storage applications.