Hard carbon is the leading candidate anode for commercialization of Na‐ion batteries. Hard carbon has a unique local atomic structure, which is composed of nanodomains of layered rumpled sheets that have short‐range local order resembling graphene within each layer, but complete disorder along the c ‐axis between layers. A primary challenge holding back the development of Na‐ion batteries is that a complete understanding of the structure–capacity correlations of Na‐ion storage in hard carbon has remained elusive. This article presents two key discoveries: first, the characteristics of hard carbons structure can be modified systematically by heteroatom doping, and second, that these structural changes greatly affect Na‐ion storage properties, which reveals the mechanisms for Na storage in hard carbon. Specifically, via P or S doping, the interlayer spacing is dilated, which extends the low‐voltage plateau capacity, while increasing the defect concentrations with P or B doping leads to higher sloping sodiation capacity. The combined experimental studies and first principles calculations reveal that it is the Na‐ion‐defect binding that corresponds to the sloping capacity, while the Na intercalation between graphenic layers causes the low‐potential plateau capacity. The understanding suggests a new design principle of hard carbon anode: more reversibly binding defects and dilated turbostratic domains, given that the specific surface area is maintained low.

Here, we present a simple one-step fabrication methodology for nitrogen-doped (N-doped) nanoporous carbon membranes via annealing cellulose filter paper under NH3. We found that nitrogen doping (up to 10.3 at %) occurs during cellulose pyrolysis under NH3 at as low as 550 °C. At 700 °C or above, N-doped carbon further reacts with NH3, resulting in a large surface area (up to 1973.3 m(2)/g). We discovered that the doped nitrogen, in fact, plays an important role in the reaction, leading to carbon gasification. CH4 was experimentally detected by mass spectrometry as a product in the reaction between N-doped carbon and NH3. When compared to conventional activated carbon (1533.6 m(2)/g), the N-doped nanoporous carbon (1326.5 m(2)/g) exhibits more than double the unit area capacitance (90 vs 41 mF/m(2)).

A synaptic transistor is fabricated by integrating ionic/electronic hybrid materials to emulate biological synapses with spike signal processing, learning, and memory functions. A potential spike generates transient ionic fluxes in a polymer layer in the transistor gate, triggering an excitatory postsynaptic current in the transistor drain. Temporally correlated pre- and post-synaptic spikes modify ions stored in the polymer, resulting in the nonvolatile modification of the transistor with spike-timing-dependent plasticity. Detailed facts of importance to specialist readers are published as "Supporting Information". Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

For the first time, we demonstrate that orthorhombic V2O5 can exhibit superior electrochemical performance in sodium ion batteries when uniformly coated inside nanoporous carbon. The encapsulated V2O5 shows a specific capacity as high as 276 mAh/g, while the whole nanocomposite exhibits a capacity of 170 mAh/g. The V2O5/C composite was fabricated by a novel ambient hydrolysis deposition that features sequential water vapor adsorption in nanoporous carbon, followed by a hydrolysis reaction, exclusively inside the nanopores. The unique structure of the nanocomposite significantly enhances the capacity as well as the rate performance of orthorhombic V2O5 where the composite retains a capacity of over 90 mAh/g at a current rate of 640 mA/g. Furthermore, by calculating, we also revealed that a large portion of the sodium-ion storage, particularly at high current rates, is due to the V2O5 pseudocapacitance.

The capacity of hard carbon anodes in Na-ion batteries rarely reaches values beyond 300 mAh/g. We report that doping POx into local structures of hard carbon increases its reversible capacity from 283 to 359 mAh/g. We confirm that the doped POx is redox inactive by X-ray adsorption near edge structure measurements, thus not contributing to the higher capacity. We observe two significant changes of hard carbon's local structures caused by doping. First, the (002) d-spacing inside the turbostratic nanodomains is increased, revealed by both laboratory and synchrotron X-ray diffraction. Second, doping turns turbostratic nanodomains more defective along ab planes, indicated by neutron total scattering and the associated pair distribution function studies. The local structural changes of hard carbon are correlated to the higher capacity, where both the plateau and slope regions in the potential profiles are enhanced. Our study demonstrates that Na-ion storage in hard carbon heavily depends on carbon local structures, where such structures, despite being disordered, can be tuned toward unusually high capacities.

Hard carbon as an anode is critical for the near-future commercialization of Na-ion batteries. However, where Na ions are located at different states of charge with respect to the local structures of hard carbon remains a topic that is under debate. Recently, some groups, including ours, have suggested a structure–property correlation that assigns the slope capacity in galvanostatic charge/discharge curves to the binding of Na ions to structural defects of hard carbon. To test this correlation, herein, we prepared a highly defective hard carbon by microwaving a carbon that was obtained by pyrolysis of cellulose at 650 °C. After this microwave treatment for just 6 s, the reversible capacity of the hard carbon increased from 204 to 308 mAh/g, which is significantly higher than that of hard carbon annealed at 1100 °C for 7 h (274 mAh/g). The microwave treatment not only is energy-efficient but also retains a high extent of the structural vacancies in hard carbon, as demonstrated by neutron total scattering and the associated pair distribution function results. Indeed, such a defective structure exhibits a slope capacity much higher than that of the conventional hard carbon. This work serves as one of the first examples of rationally designed hard carbon guided by the new Na-ion storage mechanism. Furthermore, microwave heating represents a promising strategy for fine-tuning the structures of hard carbon for Na-ion batteries.

Hard x-ray photoelectron spectroscopy using monochromatic Cr Kα radiation (5414.8 eV) has been used to acquire XPS and Auger data from a cinnabar crystal sample. Survey data, high-resolution scans of all observed photoelectron peaks and high-resolution scans of Auger lines are presented herein.

Photocatalytic hydrogen production offers an alternative pathway to establish a sustainable energy economy. While numerous photoactive materials exhibit potential for generating hydrogen from water, the synergy achieved by combining two different materials with complementary properties in the form of heterojunctions can significantly their photocatalytic activity. Our study describes the design and generation of the metal-organic framework-derived (MOF) metal oxide heterojunction composed of RuO2/N,S-TiO2. The RuO2/N,S-TiO2 is generated through the pyrolysis of MOFs, Ru- HKUST-1, and the amino-functionalized MIL-125-NH2. Among the various RuO2/N,S- TiO2 materials tested, the material characterized by the lowest RuO2 content, exhibited the highest hydrogen evolution rate, producing 10,761 μmol·hr-1·g-1 of hydrogen with an apparent quantum-yield of 10.0% in pure water. In addition to RuO2/N,S-TiO2, we generated two other MOF-derived metal-oxide heterojunctions, ZnO/N,S-TiO2 and In2O3/N,S-TiO2, leading to apparent quantum yields of 0.7% and 0.3%, respectively. The remarkable photocatalytic activity observed in RuO2/N,S-TiO2 is thought to be attributed to the synergistic effects arising from the combination of metallic properties inherent in the metal oxides, their band alignment, porosity, and surface properties inherited from the parent MOFs. The photocatalytic efficiency of RuO2/N,S-TiO2 was further demonstrated in actual water samples, producing hydrogen with a rate of 8,190 μmol·hr-1·g-1 in tap water.