Abstract A new strategy for achieving stable Co single atoms (SAs) on nitrogen‐doped porous carbon with high metal loading over 4 wt % is reported. The strategy is based on a pyrolysis process of predesigned bimetallic Zn/Co metal–organic frameworks, during which Co can be reduced by carbonization of the organic linker and Zn is selectively evaporated away at high temperatures above 800 °C. The spherical aberration correction electron microscopy and extended X‐ray absorption fine structure measurements both confirm the atomic dispersion of Co atoms stabilized by as‐generated N‐doped porous carbon. Surprisingly, the obtained Co‐N x single sites exhibit superior ORR performance with a half‐wave potential (0.881 V) that is more positive than commercial Pt/C (0.811 V) and most reported non‐precious metal catalysts. Durability tests revealed that the Co single atoms exhibit outstanding chemical stability during electrocatalysis and thermal stability that resists sintering at 900 °C. Our findings open up a new routine for general and practical synthesis of a variety of materials bearing single atoms, which could facilitate new discoveries at the atomic scale in condensed materials.

We develop a host-guest strategy to construct an electrocatalyst with Fe-Co dual sites embedded on N-doped porous carbon and demonstrate its activity for oxygen reduction reaction in acidic electrolyte. Our catalyst exhibits superior oxygen reduction reaction performance, with comparable onset potential (Eonset, 1.06 vs 1.03 V) and half-wave potential (E1/2, 0.863 vs 0.858 V) than commercial Pt/C. The fuel cell test reveals (Fe,Co)/N-C outperforms most reported Pt-free catalysts in H2/O2 and H2/air. In addition, this cathode catalyst with dual metal sites is stable in a long-term operation with 50 000 cycles for electrode measurement and 100 h for H2/air single cell operation. Density functional theory calculations reveal the dual sites is favored for activation of O-O, crucial for four-electron oxygen reduction.

Single-atom catalysts often exhibit unexpected catalytic activity for many important chemical reactions because of their unique electronic and geometric structures with respect to their bulk counterparts. Herein we adopt metal–organic frameworks (MOFs) to assist the preparation of a catalyst containing single Ni sites for efficient electroreduction of CO2. The synthesis is based on ionic exchange between Zn nodes and adsorbed Ni ions within the cavities of the MOF. This single-atom catalyst exhibited an excellent turnover frequency for electroreduction of CO2 (5273 h–1), with a Faradaic efficiency for CO production of over 71.9% and a current density of 10.48 mA cm–2 at an overpotential of 0.89 V. Our findings present some guidelines for the rational design and accurate modulation of nanostructured catalysts at the atomic scale.

Abstract The design of active, selective, and stable CO 2 reduction electrocatalysts is still challenging. A series of atomically dispersed Co catalysts with different nitrogen coordination numbers were prepared and their CO 2 electroreduction catalytic performance was explored. The best catalyst, atomically dispersed Co with two‐coordinate nitrogen atoms, achieves both high selectivity and superior activity with 94 % CO formation Faradaic efficiency and a current density of 18.1 mA cm −2 at an overpotential of 520 mV. The CO formation turnover frequency reaches a record value of 18 200 h −1 , surpassing most reported metal‐based catalysts under comparable conditions. Our experimental and theoretical results demonstrate that lower a coordination number facilitates activation of CO 2 to the CO 2 .− intermediate and hence enhances CO 2 electroreduction activity.

The rational design of metal-organic frameworks (MOFs) with hollow features and tunable porosity at the nanoscale can enhance their intrinsic properties and stimulates increasing attentions. In this Communication, we demonstrate that methanol can affect the coordination mode of ZIF-67 in the presence of Co(2+) and induces a mild phase transformation under solvothermal conditions. By applying this transformation process to the ZIF-67@ZIF-8 core-shell structures, a well-defined hollow Zn/Co ZIF rhombic dodecahedron can be obtained. The manufacturing of hollow MOFs enables us to prepare a noble metal@MOF yolk-shell composite with controlled spatial distribution and morphology. The enhanced gas storage and porous confinement that originate from the hollow interior and coating of ZIF-8 confers this unique catalyst with superior activity and selectivity toward the semi-hydrogenation of acetylene.

Herein, we construct a novel electrocatalyst with Fe–Co dual sites embedded in N-doped carbon nanotubes ((Fe,Co)/CNT), which exhibits inimitable advantages towards the oxygen reduction reaction.

Proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are now of great interest because of zero emission and high efficiency. Current PEMFCs require an unaffordable amount of Pt-based catalysts to overcome the sluggish kinetics of the oxygen reduction reation (ORR) on cathodes, hampering the widespread adoption of PEMFCs. Tremendous efforts have been devoted to achieving higher catalytic activity with less Pt usage by nanoscale engineering. Substituting Pt with cheaper metals may be also a feasible solution but suffers from low intrinsic activity. Recently, single-atom catalysts (SACs), which possess the highest metal utilization and excellent activity because of the minimum size of metal and unique coordination structure, have been regarded as potential alternatives. Here, we review the development of Pt- and nonprecious-metal-based ORR nanocatalysts and summarize recent achievements in SACs for the ORR. At last, a brief perspective on the remaining challenges and future directions of SACs for the ORR is presented. Platinum (Pt)-based catalysts have been unanimously considered the most efficient catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Unfortunately, the exorbitant cost of Pt hampers the widespread adoption and development of PEMFCs. Scientists have devoted tremendous efforts to achieving higher catalytic activity with less Pt usage by constructing delicate nanostructures. Substituting Pt with cheaper metals may be a feasible solution but suffers from a relatively low intrinsic activity. Recently, single-atom catalysts (SACs), which possess the highest metal utilization and excellent activity because of the minimum size of metal and unique coordination structure, are developing rapidly and have been regarded as a potential alternative to Pt-based materials. Here, we review the development of conventional Pt- and nonprecious-metal-based ORR catalysts and summarize recent achievement in SACs for the ORR. A brief perspective on the remaining challenges and future directions of SACs is also presented. Platinum (Pt)-based catalysts have been unanimously considered the most efficient catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Unfortunately, the exorbitant cost of Pt hampers the widespread adoption and development of PEMFCs. Scientists have devoted tremendous efforts to achieving higher catalytic activity with less Pt usage by constructing delicate nanostructures. Substituting Pt with cheaper metals may be a feasible solution but suffers from a relatively low intrinsic activity. Recently, single-atom catalysts (SACs), which possess the highest metal utilization and excellent activity because of the minimum size of metal and unique coordination structure, are developing rapidly and have been regarded as a potential alternative to Pt-based materials. Here, we review the development of conventional Pt- and nonprecious-metal-based ORR catalysts and summarize recent achievement in SACs for the ORR. A brief perspective on the remaining challenges and future directions of SACs is also presented.