Photocatalysis is the most promising method for achieving artificial photosynthesis, but a bottleneck is encountered in finding materials that could efficiently promote the water splitting reaction. The nontoxicity, low cost, and versatility of photocatalysts make them especially attractive for this application. This study demonstrates that small amounts of α‐Fe 2 O 3 nanosheets can actively promote exfoliation of g‐C 3 N 4 , producing 2D hybrid that exhibits tight interfaces and an all‐solid‐state Z‐scheme junction. These nanostructured hybrids present a high H 2 evolution rate >3 × 10 4 µmol g ‐1 h ‐1 and external quantum efficiency of 44.35% at λ = 420 nm, the highest value so far reported among the family of g‐C 3 N 4 photocatalysts. Besides effectively suppressing the recombination of electron–hole pairs, this Z‐scheme junction also exhibits activity toward overall water splitting without any sacrificial donor. The proposed synthetic route for controlled production of 2D g‐C 3 N 4 ‐based structures provides a scalable alternative toward the development of highly efficient and active photocatalysts.

The challenge in the electrosynthesis of fuels from CO2 is to achieve durable and active performance with cost-effective catalysts. Here, we report that carbon nanotubes (CNTs), doped with nitrogen to form resident electron-rich defects, can act as highly efficient and, more importantly, stable catalysts for the conversion of CO2 to CO. The unprecedented overpotential (−0.18 V) and selectivity (80%) observed on nitrogen-doped CNTs (NCNTs) are attributed to their unique features to facilitate the reaction, including (i) high electrical conductivity, (ii) preferable catalytic sites (pyridinic N defects), and (iii) low free energy for CO2 activation and high barrier for hydrogen evolution. Indeed, DFT calculations show a low free energy barrier for the potential-limiting step to form key intermediate COOH as well as strong binding energy of adsorbed COOH and weak binding energy for the adsorbed CO. The highest selective site toward CO production is pyridinic N, and the NCNT-based electrodes exhibit no degradation over 10 h of continuous operation, suggesting the structural stability of the electrode.

Electroreduction of carbon dioxide into higher-energy liquid fuels and chemicals is a promising but challenging renewable energy conversion technology. Among the electrocatalysts screened so far for carbon dioxide reduction, which includes metals, alloys, organometallics, layered materials and carbon nanostructures, only copper exhibits selectivity towards formation of hydrocarbons and multi-carbon oxygenates at fairly high efficiencies, whereas most others favour production of carbon monoxide or formate. Here we report that nanometre-size N-doped graphene quantum dots (NGQDs) catalyse the electrochemical reduction of carbon dioxide into multi-carbon hydrocarbons and oxygenates at high Faradaic efficiencies, high current densities and low overpotentials. The NGQDs show a high total Faradaic efficiency of carbon dioxide reduction of up to 90%, with selectivity for ethylene and ethanol conversions reaching 45%. The C2 and C3 product distribution and production rate for NGQD-catalysed carbon dioxide reduction is comparable to those obtained with copper nanoparticle-based electrocatalysts.

Exfoliation of two-dimensional (2D) materials into mono- or few layers is of significance for both fundamental studies and potential applications. In this report, for the first time surface tension components were directly probed and matched to predict solvents with effective liquid phase exfoliation (LPE) capability for 2D materials such as graphene, h-BN, WS2, MoS2, MoSe2, Bi2Se3, TaS2, and SnS2. Exfoliation efficiency is enhanced when the ratios of the surface tension components of the applied solvent is close to that of the 2D material in question. We enlarged the library of low-toxic and common solvents for LPE. Our study provides distinctive insight into LPE and has pioneered a rational strategy for LPE of 2D materials with high yield.

The practical recycling of carbon dioxide (CO2) by the electrochemical reduction route requires an active, stable, and affordable catalyst system. Although noble metals such as gold and silver have been demonstrated to reduce CO2 into carbon monoxide (CO) efficiently, they suffer from poor durability and scarcity. Here we report three-dimensional (3D) graphene foam incorporated with nitrogen defects as a metal-free catalyst for CO2 reduction. The nitrogen-doped 3D graphene foam requires negligible onset overpotential (−0.19 V) for CO formation, and it exhibits superior activity over Au and Ag, achieving similar maximum Faradaic efficiency for CO production (∼85%) at a lower overpotential (−0.47 V) and better stability for at least 5 h. The dependence of catalytic activity on N-defect structures is unraveled by systematic experimental investigations. Indeed, the density functional theory calculations confirm pyridinic N as the most active site for CO2 reduction, consistent with experimental results.

Nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNTs) have been considered as a promising electrocatalyst for carbon-dioxide-reduction reactions, but two fundamental chemistry questions remain obscure: 1) What are the active centers with respect to various defect species and 2) what is the role of defect density on the selectivity of NCNTs? The aim of this work is to address these questions. The catalytic activity of NCNTs depends on the structural nature of nitrogen in CNTs and defect density. Comparing with pristine CNTs, the presence of graphitic and pyridinic nitrogen significantly decreases the overpotential (ca. -0.18 V) and increases the selectivity (ca. 80%) towards the formation of CO. The experimental results are in congruent with DFT calculations, which show that pyridinic defects retain a lone pair of electrons that are capable of binding CO2. However, for graphitic-like nitrogen, electrons are located in the π* antibonding orbital, making them less accessible for CO2 binding.

Abstract Electrochemical reduction of CO 2 provides an opportunity to reach a carbon‐neutral energy recycling regime, in which CO 2 emissions from fuel use are collected and converted back to fuels. The reduction of CO 2 to CO is the first step toward the synthesis of more complex carbon‐based fuels and chemicals. Therefore, understanding this step is crucial for the development of high‐performance electrocatalyst for CO 2 conversion to higher order products such as hydrocarbons. Here, atomic iron dispersed on nitrogen‐doped graphene (Fe/NG) is synthesized as an efficient electrocatalyst for CO 2 reduction to CO. Fe/NG has a low reduction overpotential with high Faradic efficiency up to 80%. The existence of nitrogen‐confined atomic Fe moieties on the nitrogen‐doped graphene layer is confirmed by aberration‐corrected high‐angle annular dark‐field scanning transmission electron microscopy and X‐ray absorption fine structure analysis. The Fe/NG catalysts provide an ideal platform for comparative studies of the effect of the catalytic center on the electrocatalytic performance. The CO 2 reduction reaction mechanism on atomic Fe surrounded by four N atoms (Fe–N 4 ) embedded in nitrogen‐doped graphene is further investigated through density functional theory calculations, revealing a possible promotional effect of nitrogen doping on graphene.

Oxygen-modified monolayer g-C3N4 materials (abbreviated as O-g-C3N4) with high crystallinity in a high yield are prepared via thermal oxidation. The partial oxygenation of g-C3N4 was simultaneously achieved, providing the opportunity to collaboratively affect both structure and electron for photocatalytic hydrogen evolution. The O-g-C3N4 monolayer exhibited a production rate of ~44.37 mmol/g (~8874.7 μmol/h g) for hydrogen evolution leading to the highest external quantum efficiency (EQE) of 13.7% (at 420 nm) of the reported g-C3N4 nanosheets in a 5 h duration under visible light irradiation. More promisingly, the photocatalytic reaction proceeded for more than 25 h without performance degradation.

Hydrogen is a promising energy carrier and key agent for many industrial chemical processes1. One method for generating hydrogen sustainably is via the hydrogen evolution reaction (HER), in which electrochemical reduction of protons is mediated by an appropriate catalyst-traditionally, an expensive platinum-group metal. Scalable production requires catalyst alternatives that can lower materials or processing costs while retaining the highest possible activity. Strategies have included dilute alloying of Pt2 or employing less expensive transition metal alloys, compounds or heterostructures (e.g., NiMo, metal phosphides, pyrite sulfides, encapsulated metal nanoparticles)3-5. Recently, low-cost, layered transition-metal dichalcogenides (MX2)6 based on molybdenum and tungsten have attracted substantial interest as alternative HER catalysts7-11. These materials have high intrinsic per-site HER activity; however, a significant challenge is the limited density of active sites, which are concentrated at the layer edges.8,10,11. Here we use theory to unravel electronic factors underlying catalytic activity on MX2 surfaces, and leverage the understanding to report group-5 MX2 (H-TaS2 and H-NbS2) electrocatalysts whose performance instead derives from highly active basal-plane sites. Beyond excellent catalytic activity, they are found to exhibit an unusual ability to optimize their morphology for enhanced charge transfer and accessibility of active sites as the HER proceeds. This leads to long cycle life and practical advantages for scalable processing. The resulting performance is comparable to Pt and exceeds all reported MX2 candidates.

High-yield and uniform-size graphitic carbon nitride nanotubes (g-C3N4 nanotubes) with abundant nitrogen defects are synthesized for the first time by a green and acid-alkali-free synthesis using a sole melamine precursor. This approach utilizes the slow in-situ conversion of part of melamine into cyanuric acid and consequent molecular self-assembly with the rest of melamine to form supramolecular intermediate. The following pyrolysis converts the supramolecular intermediate to g-C3N4 nanotubes with abundant nitrogen defects. The morphology thus resulted preferable performance than the traditional molecular self-assembly in which the mixture of melamine and cyanuric acid is used as precursors. The g-C3N4 nanotubes with orderly tubular morphology of length-diameter ratio of 30–70 exhibit excellent hydrogen evolution rate (118.5 μmol h−1), which is obviously superior to the bulk g-C3N4. The apparent quantum efficiency of g-C3N4 nanotubes under irradiation at 420 nm is achieved at 6.8%, which is among the top of one dimensional (1D) g-C3N4 structure, such as g-C3N4 nanotubes, nanowires and nanorods. The improved photocatalytic performance benefits from the tubular structure and the nitrogen defects, which lead to the improved optical absorption, more exposed active edges, nitrogen defects active sites, enhanced charge transfer and separation efficiency, higher surface area, fast and long-distance electron transport, and longer fluorescence lifetime. Beside hydrogen evolution reaction, the g-C3N4 nanotubes also have broad applications in environmental treatment and photoelectrochemical detection of organic dyes.