Development of non-noble-metal catalysts for hydrogen evolution reaction (HER) with both excellent activity and robust stability has remained a key challenge in the past decades. Herein, for the first time, N-doped carbon-wrapped cobalt nanoparticles supported on N-doped graphene nanosheets were prepared by a facile solvothermal procedure and subsequent calcination at controlled temperatures. The electrocatalytic activity for HER was examined in 0.5 M H2SO4. Electrochemical measurements showed a small overpotential of only −49 mV with a Tafel slope of 79.3 mV/dec. Theoretical calculations based on density functional theory showed that the catalytically active sites were due to carbon atoms promoted by the entrapped cobalt nanoparticles. The results may offer a new methodology for the preparation of effective catalysts for water splitting technology.

Advanced materials for electrocatalytic water splitting are central to renewable energy research. In this study, MoO2 nanobelts@nitrogen self-doped MoS2 nanosheets are produced by nitridation and sulfuration treatments of MoO3 nanobelts. The material structures are characterized by a variety of techniques including scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, Raman scattering, X-ray photoelectron spectroscopy, and X-ray diffraction spectroscopy. It is found that because of nitrogen doping and the abundance of exposed active edges, the heterostructures exhibit high electronic conductivity, and more importantly, enhanced and stable electrocatalytic activity in hydrogen evolution reaction (HER), as manifested in electrochemical studies. The onset potential is found to be only −156 mV (vs. RHE), which is 105 mV more positive than that of pure MoS2 under identical experimental conditions. The corresponding Tafel slope is estimated to be 47.5 mV dec−1, even slightly less than that of commercial 10 wt% Pt/C (49.8 mV dec−1), suggesting that the reaction dynamics is largely determined by the electrochemical desorption of hydrogen. This is accounted for by nitrogen doping that leads to an enhanced electronic conductivity of the heterostructures as well as a high density of spinning electron states around the N and Mo atoms in MoS2 nanosheets that are the active sites for HER, as manifested in density functional theory studies of a N-doped MoS2 monolayer.

We propose a kind of topological quantum state of semimetals in the quasi-one-dimensional (1D) crystal family ${\text{Ba}MX}_{3}$ ($M\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}=\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}\mathrm{V}$, Nb, or Ta; $X\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}=\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}\mathrm{S}$ or Se) by using symmetry analysis and first-principles calculation. We find that in ${\mathrm{BaVS}}_{3}$ the valence and conduction bands are degenerate in the ${k}_{z}=\ensuremath{\pi}/c$ plane ($c$ is the lattice constant along the $\stackrel{\ifmmode \hat{}\else \^{}\fi{}}{z}$ axis) of the Brillouin zone (BZ). These nodal points form a node surface, and they are protected by a nonsymmorphic crystal symmetry consisting of a twofold rotation about the $\stackrel{\ifmmode \hat{}\else \^{}\fi{}}{z}$ axis and a half-translation along the same $\stackrel{\ifmmode \hat{}\else \^{}\fi{}}{z}$ axis. The band degeneracy in the node surface is lifted in ${\mathrm{BaTaS}}_{3}$ by including strong spin-orbit coupling (SOC) of Ta. The node surface is reduced into 1D node lines along the high-symmetry paths ${k}_{x}=0$ and ${k}_{x}=\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}\sqrt{3}{k}_{y}$ on the ${k}_{z}=\ensuremath{\pi}/c$ plane. These node lines are robust against SOC and guaranteed by the symmetries of the $P{6}_{3}/mmc$ space group. These node-line states are entirely different from previous proposals which are based on the accidental band touchings. We also propose a useful material design for realizing topological node-surface and node-line semimetals.

We experimentally demonstrated that composites, being effective in optimizing the thermoelectric performance, can also enhance photothermoelectric effects in this work. In detail, we employed an alternating-growth in chemical-vapor-transport to grow the SnSe–SnSe2 composite crystals. The photo-responsivities of SnSe–SnSe2 (atomic-weight-ratio as 44%–56%) composite are comparable to SnSe crystals in the visible band (444 and 532 nm). However, the responsivities of SnSe–SnSe2 have remarkable 27.3% enhancement than those of SnSe crystal at the near-infrared band (1310 and 1550 nm). Supported by optical spectroscopy and theoretical electronic band structure, the enhanced optical responsivity of SnSe–SnSe2 composites is due to the formation of P–N junctions at interfaces between SnSe and SnSe2, leading to more optical transition channels and corresponding optical absorptions in near-infrared band. Our work verifies that hetero-junction formed among constituent compounds in composites is effective in optimizing the photothermoelectric response of thermoelectric materials in certain electromagnetic bands, paving the way to develop photoelectric detection devices.