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.

Abstract Single-atom catalysts offering intriguing activity and selectivity are subject of intense investigation. Understanding the nature of single-atom active site and its dynamics under working state are crucial to improving their catalytic performances. Here, we identify at atomic level a general evolution of single atom into a near-free state under electrocatalytic hydrogen evolution condition, via operando synchrotron X-ray absorption spectroscopy. We uncover that the single Pt atom tends to dynamically release from the nitrogen-carbon substrate, with the geometric structure less coordinated to support and electronic property closer to zero valence, during the reaction. Theoretical simulations support that the Pt sites with weakened Pt–support interaction and more 5 d density are the real active centers. The single-atom Pt catalyst exhibits very high hydrogen evolution activity with only 19 mV overpotential in 0.5 M H 2 SO 4 and 46 mV in 1.0 M NaOH at 10 mA cm −2 , and long-term durability in wide-pH electrolytes.

Abstract An active and stable photocatalyst to directly split water is desirable for solar‐energy conversion. However, it is difficult to accomplish overall water splitting without sacrificial electron donors. Herein, we demonstrate a strategy via constructing a single site to simultaneously promote charge separation and catalytic activity for robust overall water splitting. A single Co 1 ‐P 4 site confined on g‐C 3 N 4 nanosheets was prepared by a facile phosphidation method, and identified by electron microscopy and X‐ray absorption spectroscopy. This coordinatively unsaturated Co site can effectively suppress charge recombination and prolong carrier lifetime by about 20 times relative to pristine g‐C 3 N 4 , and boost water molecular adsorption and activation for oxygen evolution. This single‐site photocatalyst exhibits steady and high water splitting activity with H 2 evolution rate up to 410.3 μmol h −1 g −1 , and quantum efficiency as high as 2.2 % at 500 nm.

Abstract In view of the sluggish kinetics suppressing the oxygen evolution reaction (OER), developing efficient and robust OER catalysts is urgent and essential for developing efficient energy conversion technologies. Herein, hybrid amorphous/crystalline FeCoNi layered double hydroxide (LDH)‐supported single Ru atoms (Ru SAs/AC‐FeCoNi) are developed for enabling a highly efficient electrocatalytic OER. The amorphous outer layer in Ru SAs/AC‐FeCoNi is composed of abundant defect sites and unsaturated coordination sites, which can serve as anchoring sites to stabilize single Ru atoms. The crystalline inner has a highly symmetric rigid structure, thereby strengthening the stability of support for a long‐lasting OER. The synergistic effects endow this hybrid catalyst with extremely low overpotential (205 mV at 10 mA cm −2 ). Density functional theory calculation indicates that single Ru atoms stabilized by hybrid amorphous/crystalline FeCoNi LDH facilitate the formation of Ru–O* (rate‐determining step), thus accelerating the OER process.

Amorphous phosphorus nitride imide nanotubes (HPN) are reported as a novel substrate to stabilize materials containing single-metal sites. Abundant dangling unsaturated P vacancies play a role in stabilization. Ruthenium single atoms (SAs) are successfully anchored by strong coordination interactions between the d orbitals of Ru and the lone pair electrons of N located in the HPN matrix. The atomic dispersion of Ru atoms can be distinguished by X-ray absorption fine structure measurements and spherical aberration correction electron microscopy. Importantly, Ru SAs@PN is an excellent electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction (HER) in 0.5 m H2 SO4 , delivering a low overpotential of 24 mV at 10 mA cm-2 and a Tafel slope of 38 mV dec-1 . The catalyst exhibits robust stability in a constant current test at a large current density of 162 mA cm-2 for more than 24 hours, and is operative for 5000 cycles in a cyclic voltammetry test. Additionally, Ru SAs@PN presents a turnover frequency (TOF) of 1.67 H2 s-1 at 25 mV, and 4.29 H2 s-1 at 50 mV, in 0.5 m H2 SO4 solution, outperforming most of the reported hydrogen evolution catalysts. Density functional theory (DFT) calculations further demonstrate that the Gibbs free energy of adsorbed H* over the Ru SAs on PN is much closer to zero compared with the Ru/C and Ru SAs supported on carbon and C3 N4 , thus considerably facilitating the overall HER performance.

Herein, we report a heterogeneous single iron atom catalyst exhibiting excellent peroxidase, oxidase and catalase enzyme-like activities (defined as single atom enzymes, SAEs), exceeding those of Fe₃O₄ nanozymes by a factor of 40.

With increasing penetration of the renewable energy, the grid-tied PWM inverters need to take corresponding responsibilities for the security and stability of future grid, behaving like conventional rotational synchronous generator (RSG). Therefore, recognizing the inherent relationship and intrinsic differences between inverters and RSGs is essential for such target. By modeling the typical electromechanical transient of grid-tied PWM inverters, this paper first proves that PWM inverters and RSGs are similar in physical mechanism and equivalent in mathematical model, and the concept of static synchronous generator (SSG) is thereby developed. Furthermore, the comprehensive comparison between RSG and SSG is carried out in detail, and their inherent relation is built. Based on these findings, the rationality and feasibility of migrating the concepts, tools, and methods of RSG stability analysis to investigate the dynamic behaviors and stability issues of SSG is therefore confirmed. Taking stability issues as an example, the criteria of small signal and transient stability of a typical grid-tied PWM inverter is put forward to demonstrate the significance of the developed SSG model (including synchronizing coefficient, damping coefficient, inertia constant, and power-angle curve), providing clear physical interpretation on the dynamic characteristics and stability issues. The developed SSG model promotes grid-friendly integration of renewable energy to future grid and stimulates interdisciplinary research between power electronics and power system.

Fe–N–C electrocatalysts, as a representative of platinum group metal-free (PGM-free) catalysts, exhibit a comparable oxygen reduction reaction (ORR) activity but insufficient stability to that of commercial Pt/C in proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs), due to the unavoidable Fenton's reactions. Herein, we report a hard-template approach to synthesize the rare-earth single-cerium-atom-doped metal–organic frameworks with a hierarchically macro–meso–microporous structure. Spherical aberration correction electron microscopy confirms the atomic dispersion of Ce sites. Additionally, X-ray absorption spectroscopy (XAS) was employed to further verify the coordination environment of Ce sites, which were stabilized by four-coordinated nitrogen atoms and six-oxygen atoms (Ce–N4/O6). The Ce sites were embedded in a hierarchically macro–meso–microporous N-doped carbon (Ce SAS/HPNC) catalyst, which exhibits a half-wave potential of 0.862 V in ORR and the highest power density of 0.525 W cm–2 under 2.0 bar H2/O2 in the fuel cell test.