Defects derived by the removal of heteroatoms from graphene are demonstrated, both experimentally and theoretically, to be effective for all three basic electrochemical reactions, e.g., oxygen reduction (ORR), oxygen evolution (OER), and hydrogen evolution (HER). Density function theory calculations further reveal that the different types of defects are essential for the individual electrocatalytic activity for ORR, OER, and HER, respectively.

Herein, the authors demonstrate a heterostructured NiFe LDH‐NS@DG10 hybrid catalyst by coupling of exfoliated Ni–Fe layered double hydroxide (LDH) nanosheet (NS) and defective graphene (DG). The catalyst has exhibited extremely high electrocatalytic activity for oxygen evolution reaction (OER) in an alkaline solution with an overpotential of 0.21 V at a current density of 10 mA cm −2 , which is comparable to the current record (≈0.20 V in Fe–Co–Ni metal‐oxide‐film system) and superior to all other non‐noble metal catalysts. Also, it possesses outstanding kinetics (Tafel slope of 52 mV dec −1 ) for the reaction. Interestingly, the NiFe LDH‐NS@DG10 hybrid has also exhibited the high hydrogen evolution reaction (HER) performance in an alkaline solution (with an overpotential of 115 mV by 2 mg cm −2 loading at a current density of 20 mA cm −2 ) in contrast to barely HER activity for NiFe LDH‐NS itself. As a result, the bifunctional catalyst the authors developed can achieve a current density of 20 mA cm −2 by a voltage of only 1.5 V, which is also a record for the overall water splitting. Density functional theory calculation reveals that the synergetic effects of highly exposed 3d transition metal atoms and carbon defects are essential for the bifunctional activity for OER and HER.

Summary

 Downsizing the catalyst to atomic scale provides an effective way to maximize the atom efficiency and enhance activity for electrocatalysis. Here, we report a concept whereby graphene defects trap atomic Ni species (aNi) inside to form an integrity (aNi@defect). X-ray adsorption characterization and density-functional-theory calculation revealed that the diverse defects in graphene can induce different local electronic densities of state (DOSs) of aNi, which suggests that aNi@defect serves as an active site for unique electrocatalytic reactions. As examples, aNi@G585 is responsible for the oxygen evolution reaction (OER), and aNi@G5775 activates the hydrogen evolution reaction (HER). The derived catalyst exhibits exceptionally good activity for both HER and OER, e.g., an overpotential of 70 mV at 10 mA/cm² for HER (analogous to the commercial Pt/C) and 270 mV at 10 mA/cm² for OER (much superior to that of Ir oxide).

Hydrogen production through electrochemical process is at the heart of key renewable energy technologies including water splitting and hydrogen fuel cells. Despite tremendous efforts, exploring cheap, efficient and durable electrocatalysts for hydrogen evolution still remains as a great challenge. Here we synthesize a nickel-carbon-based catalyst, from carbonization of metal-organic frameworks, to replace currently best-known platinum-based materials for electrocatalytic hydrogen evolution. This nickel-carbon-based catalyst can be activated to obtain isolated nickel atoms on the graphitic carbon support when applying electrochemical potential, exhibiting highly efficient hydrogen evolution performance with high exchange current density of 1.2 mA cm(-2) and impressive durability. This work may enable new opportunities for designing and tuning properties of electrocatalysts at atomic scale for large-scale water electrolysis.

Platinum (Pt) is the state-of-the-art catalyst for oxygen reduction reaction (ORR), but its high cost and scarcity limit its large-scale use. However, if the usage of Pt reduces to a sufficiently low level, this critical barrier may be overcome. Atomically dispersed metal catalysts with high activity and high atom efficiency have the possibility to achieve this goal. Herein, we report a locally distributed atomic Pt-Co nitrogen–carbon-based catalyst (denoted as A-CoPt-NC) with high activity and robust durability for ORR (267 times higher than commercial Pt/C in mass activity). The A-CoPt-NC shows a high selectivity for the 4e– pathway in ORR, differing from the reported 2e– pathway characteristic of atomic Pt catalysts. Density functional theory calculations suggest that this high activity originates from the synergistic effect of atomic Pt-Co located on a defected C/N graphene surface. The mechanism is thought to arise from asymmetry in the electron distribution around the Pt/Co metal centers, as well as the metal atoms' coordination with local environments on the carbon surface. This coordination results from N8V4 vacancies (where N8 represents the number of nitrogen atoms and V4 indicates the number of vacant carbon atoms) within the carbon shell, which enhances the oxygen reduction reaction via the so-called synergistic effect.

Owing to the difficulty in controlling the dopant or defect types and their homogeneity in carbon materials, it is still a controversial issue to identify the active sites of carbon-based metal-free catalysts. Here we report a proof-of-concept study on the active-site evaluation for a highly oriented pyrolytic graphite catalyst with specific pentagon carbon defective patterns (D-HOPG). It is demonstrated that specific carbon defect types (an edged pentagon in this work) could be selectively created via controllable nitrogen doping. Work-function analyses coupled with macro and micro-electrochemical performance measurements suggest that the pentagon defects in D-HOPG served as major active sites for the acidic oxygen reduction reaction, even much superior to the pyridinic nitrogen sites in nitrogen-doped highly oriented pyrolytic graphite. This work enables us to elucidate the relative importance of the specific carbon defects versus nitrogen-dopant species and their respective contributions to the observed overall acidic oxygen reduction reaction activity. The active sites of metal-free carbon catalysts for the oxygen reduction reaction remain still elusive. Now, Yao, Dai and co-workers combine work-function analyses with macro/micro-electrochemical measurements on highly oriented pyrolytic graphite and conclude that pentagon defects are the main active sites for acidic oxygen reduction.

A new defect mechanism for the ORR was proposed based on the theoretical calculations and our experimental results.

Abstract Controllably constructing nitrogen‐modified divacancies (ND) in carbon substrates to immobilize atomic Fe species and unveiling the advantageous configuration is still challenging, but indispensable for attaining optimal Fe−N−C catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR). Herein, a fundamental investigation of unfolding intrinsically superior edge‐ND trapped atomic Fe motifs (e‐ND−Fe) relative to an intact center model (c‐ND−Fe) in ORR electrocatalysis is reported. Density functional theory calculations reveal that local electronic redistribution and bandgap shrinkage for e‐ND−Fe endow it with a lower free‐energy barrier toward direct four‐electron ORR. Inspired by this, a series of atomic Fe catalysts with adjustable ND−Fe coordination are synthesized, which verify that ORR performance highly depends on the concentration of e‐ND−Fe species. Remarkably, the best e‐ND−Fe catalyst delivers a favorable kinetic current density and halfwave potential that can be comparable to benchmark Pt−C under acidic conditions. This work will guide to develop highly active atomic metal catalysts through rational defect engineering.

The coordinated configuration of atomic platinum (Pt) has always been identified as an active site with high intrinsic activity for hydrogen evolution reaction (HER). Herein, we purposely synthesize single vacancies in a carbon matrix (defective graphene) that can trap atomic Pt to form the Pt-C3 configuration, which gives exceptionally high reactivity for HER in both acidic and alkaline solutions. The intrinsic activity of Pt-C3 site is valued with a turnover frequency (TOF) of 26.41 s-1 and mass activity of 26.05 A g-1 at 100 mV, respectively, which are both nearly 18 times higher than those of commercial 20 wt % Pt/C. It is revealed that the optimal coordination Pt-C3 has a stronger electron-capture ability and lower Gibbs free energy difference (ΔG), resulting in promoting the reduction of adsorbed H+ and the acceleration of H2 desorption, thus exhibiting the extraordinary HER activity. This work provides a new insight on the unique coordinated configuration of dispersive atomic Pt in defective C matrix for superior HER performance.

Abstract Zinc–air batteries (ZABs) have attracted extensive attention due to their remarkable high theoretical energy output. They represent one of the most promising future power sources. However, many barriers restrict their application on a large scale. One of the main challenges is the sluggish rates of the oxygen‐reduction reaction (ORR) and oxygen‐evolution reaction (OER), which govern the discharging and charging processes of the battery, respectively. Here, recent advances related to oxygen electrocatalyst materials for ZABs are discussed. Detailed discussions will focus on unifunctional ORR electrocatalysts and bifunctional ORR and OER electrocatalysts. Pt‐based nanomaterials, as the best ORR electrocatalysts, possess the virtue of high activity, but have the disadvantages of high cost, scarcity, and poor stability. Thus, materials based on transition metals (alloys, metal oxides, metal nitrides, and spinel oxides) and metal‐free materials are widely investigated as nonprecious ORR catalysts owing to their promising catalytic activities. As for bifunctional ORR and OER electrocatalysts, the following two categories are introduced: (i) metal‐based materials, including single metal/metal‐oxides‐based materials and mixed‐metal/metal‐oxides‐based materials; and (ii) metal‐free materials. Finally, perspectives on the continuous research and limitation of the current ZAB technology are provided.