Abstract The rational design of an efficient and inexpensive electrocatalyst based on earth‐abundant 3d transition metals (TMs) for the hydrogen evolution reaction still remains a significant challenge in the renewable energy area. Herein, a novel and effective approach is developed for synthesizing ultrafine Co nanoparticles encapsulated in nitrogen‐doped carbon nanotubes (N‐CNTs) grafted onto both sides of reduced graphene oxide (rGO) (Co@N‐CNTs@rGO) by direct annealing of GO‐wrapped core–shell bimetallic zeolite imidazolate frameworks. Benefiting from the uniform distribution of Co nanoparticles, the in‐situ‐formed highly graphitic N‐CNTs@rGO, the large surface area, and the abundant porosity, the as‐fabricated Co@N‐CNTs@rGO composites exhibit excellent electrocatalytic hydrogen evolution reaction (HER) activity. As demonstrated in electrochemical measurements, the composites can achieve 10 mA cm −2 at low overpotential with only 108 and 87 mV in 1 m KOH and 0.5 m H 2 SO 4 , respectively, much better than most of the reported Co‐based electrocatalysts over a wide pH range. More importantly, the synthetic strategy is versatile and can be extended to prepare other binary or even ternary TMs@N‐CNTs@rGO (e.g., Co–Fe@N‐CNTs@rGO and Co–Ni–Cu@N‐CNTs@rGO). The strategy developed here may open a new avenue toward the development of nonprecious high‐performance HER catalysts.

The rapid and extensive development of advanced nanostructures and nanotechnologies has driven a correspondingly rapid growth of research that presents enormous potential for fulfilling the practical requirements of solid state hydrogen storage applications. This article reviews the most recent progress in the development of nanostructured materials for hydrogen storage technology, demonstrating that nanostructures provide a pronounced benefit to applications involving molecular hydrogen storage, chemical hydrogen storage, and as supports for the nanoconfinement of various hydrides. To further optimize hydrogen storage performance, we emphasize the desirability of exploring and developing nanoporous materials with ultrahigh surface areas and the advantageous incorporation of metals and functionalities, nanostructured hydrides with excellent mechanic stabilities and rigid main construction, and nanostructured supports comprised of lightweight components and enhanced hydride loading capacities. In addition to highlighting the conspicuous advantages of nanostructured materials in the field of hydrogen storage, we also discuss the remaining challenges and the directions of emerging research for these materials.

Monodisperse MgH2 nanoparticles with homogeneous distribution and a high loading percent are developed through hydrogenation-induced self-assembly under the structure-directing role of graphene. Graphene acts not only as a structural support, but also as a space barrier to prevent the growth of MgH2 nanoparticles and as a thermally conductive pathway, leading to outstanding performance.

Magnesium coated by different transition metals (TM: Ti, Nb, V, Co, Mo, or Ni) with a grain size in the nano-scale formed a core (Mg)–shell (TM) like structure which can catalyse dehydrogenation.

Sponge‐like composites assembled by cobalt sulfides quantum dots (Co 9 S 8 QD), mesoporous hollow carbon polyhedral (HCP) matrix, and a reduced graphene oxide (rGO) wrapping sheets are synthesized by a simultaneous thermal reduction, carbonization, and sulfidation of zeolitic imidazolate frameworks@GO precursors. Specifically, Co 9 S 8 QD with size less than 4 nm are homogenously embedded within HCP matrix, which is encapsulated in macroporous rGO, thereby leading to the double carbon‐confined hierarchical composites with strong coupling effect. Experimental data combined with density functional theory calculations reveal that the presence of coupled rGO not only prevents the aggregation and excessive growth of particles, but also expands the lattice parameters of Co 9 S 8 crystals, enhancing the reactivity for sodium storage. Benefiting from the hierarchical porosity, conductive network, structural integrity, and a synergistic effect of the components, the sponge‐like composites used as binder‐free anodes manifest outstanding sodium‐storage performance in terms of excellent stable capacity (628 mAh g −1 after 500 cycles at 300 mA g −1 ) and exceptional rate capability (529, 448, and 330 mAh g −1 at 1600, 3200, and 6400 mA g −1 ). More importantly, the synthetic method is very versatile and can be easily extended to fabricate other transition‐metal‐sulfides‐based sponge‐like composites with excellent electrochemical performances.

A Ti-based multi-valence catalyst was coated on the surface of ball milled Mg powders (∼1 μm in diameter), aiming to decrease the desorption temperature and increase the kinetics of hydrogen release from MgH2 by its catalytic effect on thermodynamics. The catalysis coating was prepared by the chemical reaction between Mg powders and TiCl3 in THF solution, which is ∼10 nm in thickness and contains multiple valences in the form of Ti (0), TiH2 (+2), TiCl3 (+3) and TiO2 (+4). It is believed that the easier electron transfer among these different Ti valences plays a key role in enhancing the hydrogen recombination for the formation of a hydrogen molecule (e.g.). This recombination is generally regarded as the key barrier for hydrogen desorption of MgH2. Experimentally, temperature-programmed desorption (TPD) and isothermal dehydrogenation analysis demonstrate that the MgH2 – coated Ti based system (denoted as Mg–Ti) has excellent dehydrogenation properties, which can start to release H2 at about 175 °C and release 5 wt% H2 within 15 min at 250 °C. The dehydrogenation reaction entropy (ΔS) of the system is changed from 130.5 J K−1 mol−1 H2 to 136.1 J K−1 mol−1 H2, which reduces the Tplateau to 279 °C at an equilibrium pressure of 1 bar. A new mechanism has been proposed that multiple valence Ti sites act as the intermediate for electron transfers between Mg2+ and H−, which makes the recombination of H2 on Ti (in forms of compounds) surfaces much easier.

Abstract Potassium‐ion hybrid capacitors (PIHCs), elaborately integrate the advantages of high output power as well as long lifespan of supercapacitors and the high energy density of batteries, and exhibit great possibilities for the future generations of energy storage devices. The critical next step for future implementation lies in exploring a high‐rate battery‐type anode with an ultra‐stable structure to match the capacitor‐type cathode. Herein, a “dual‐carbon” is constructed, in which a three‐dimensional nitrogen‐doped microporous carbon polyhedron (NMCP) derived from metal‐organic frameworks is tightly wrapped by two‐dimensional reduced graphene oxide (NMCP@rGO). Benefiting from the synergistic effect of the inner NMCP and outer rGO, the NMCP@rGO exhibits a superior K‐ion storage capability with a high reversible capacity of 386 mAh g −1 at 0.05 A g −1 and ultra‐long cycle stability with a capacity of 151.4 mAh g −1 after 6000 cycles at 5.0 A g −1 . As expected, the as‐assembled PIHCs with a working voltage as high as 4.2 V present a high energy/power density (63.6 Wh kg −1 at 19 091 W kg −1 ) and excellent capacity retention of 84.7% after 12 000 cycles. This rational construction of advanced PIHCs with excellent performance opens a new avenue for further application and development.

Two-dimensional (2D) hydroxide nanosheets can exhibit exceptional electrochemical performance owing to their shortened ion diffusion distances, abundant active sites, and various valence states. Herein, we report ZnCo1.5(OH)4.5Cl0.5·0.45H2O nanosheets (thickness ∼30 nm) which crystallize in a layered structure and exhibit a high specific capacitance of 3946.5 F g–1 at 3 A g–1 for an electrochemical pseudocapacitor. ZnCo1.5(OH)4.5Cl0.5·0.45H2O was synthesized by a homogeneous precipitation method and spontaneously crystallized into 2D nanosheets in well-defined hexagonal morphology with crystal structure revealed by synchrotron X-ray powder diffraction data analysis. In situ growth of ZnCo1.5(OH)4.5Cl0.5·0.45H2O nanosheet arrays on conductive Ni foam substrate was successfully realized. Asymmetric supercapacitors based on ZnCo1.5(OH)4.5Cl0.5·0.45H2O nanosheets @Ni foam// PVA, KOH//reduced graphene oxide exhibits a high energy density of 114.8 Wh kg–1 at an average power density of 643.8 W kg–1, which surpasses most of the reported all-solid-state supercapacitors based on carbonaceous materials, transition metal oxides/hydroxides, and MXenes. Furthermore, a supercapacitor constructed from ZnCo1.5(OH)4.5Cl0.5·0.45H2O nanosheets@PET substrate shows excellent flexibility and mechanical stability. This study provides layered bimetallic hydroxide nanosheets as promising electroactive materials for flexible, solid-state energy storage devices, presenting the best reported performance to date.

Abstract Designing non‐precious electrocatalysts to synergistically achieve a facilitated mass/electron transfer and exposure of abundant active sites is highly desired but remains a significant challenge. Herein, a composite electrocatalyst consisting of highly dispersed Co/CoP heterojunction embedded within a hierarchically ordered macroporous‐mesoporous‐microporous carbon matrix (Co/CoP@HOMC) is rationally designed through the pyrolysis of polystyrene sphere‐templated zeolite imidazolate framework‐67 (ZIF‐67) assemblies. The combined experimental and theoretical calculations reveal that Co/CoP interfaces not only provide richly exposed active sites but also optimize hydrogen/water absorption free energy via electronic coupling, while the interconnected macroporous structure enables a superior mass transfer to all accessible active sites. As a result, the as‐developed Co/CoP@HOMC composites exhibit outstanding catalytic activity with overpotentials of only 120 and 260 mV at 10 mA cm −2 for the hydrogen evolution reaction and oxygen evolution reaction in 1.0 m KOH, respectively. Moreover, an alkaline electrolyzer constructed by Co/CoP@HOMC requires an ultralow cell voltage of 1.54 V to achieve 10 mA cm −2 , outperforming that of the Pt@C||IrO 2 @C couple (1.64 V).