A two-step solid-state reaction for preparing cobalt molybdenum nitride with a nanoscale morphology has been used to produce a highly active and stable electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction (HER) under acidic conditions that achieves an iR-corrected current density of 10 mA cm–2 at −0.20 V vs RHE at low catalyst loadings of 0.24 mg/cm2 in rotating disk experiments under a H2 atmosphere. Neutron powder diffraction and pair distribution function (PDF) studies have been used to overcome the insensitivity of X-ray diffraction data to different transition-metal nitride structural polytypes and show that this cobalt molybdenum nitride crystallizes in space group P63/mmc with lattice parameters of a = 2.85176(2) Å and c = 10.9862(3) Å and a formula of Co0.6Mo1.4N2. This space group results from the four-layered stacking sequence of a mixed close-packed structure with alternating layers of transition metals in octahedral and trigonal prismatic coordination and is a structure type for which HER activity has not previously been reported. Based on the accurate bond distances obtained from time-of-flight neutron diffraction data, it is determined that the octahedral sites contain a mixture of divalent Co and trivalent Mo, while the trigonal prismatic sites contain Mo in a higher oxidation state. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) studies confirm that at the sample surface nitrogen is present and N–H moieties are abundant.

The alloy-design strategy of combining multiple elements in near-equimolar ratios has shown great potential for producing exceptional engineering materials, often known as ‘high-entropy alloys’. Understanding the elemental distribution, and, thus, the evolution of the configurational entropy during solidification, is undertaken in the present study using the Al1.3CoCrCuFeNi model alloy. Here we show that, even when the material undergoes elemental segregation, precipitation, chemical ordering and spinodal decomposition, a significant amount of disorder remains, due to the distributions of multiple elements in the major phases. The results suggest that the high-entropy alloy-design strategy may be applied to a wide range of complex materials, and should not be limited to the goal of creating single-phase solid solutions. Alloys containing multiple elements of equal distributions are known to show enhanced properties as they tend to form single phases. Here, the authors demonstrate that even in cases of elemental segregation and chemical ordering, these alloys can still maintain enhanced properties.

The design of Faradaic battery electrodes that exhibit high rate capability and long cycle life equivalent to those of the electrodes of electrical double-layer capacitors is a big challenge. Here we report a strategy to fill this performance gap using the concept of Grotthuss proton conduction, in which proton transfer takes place by means of concerted cleavage and formation of O–H bonds in a hydrogen-bonding network. We show that in a hydrated Prussian blue analogue (Turnbull’s blue) the abundant lattice water molecules with a contiguous hydrogen-bonding network facilitate Grotthuss proton conduction during redox reactions. When using it as a battery electrode, we find high-rate behaviours at 4,000 C (380 A g−1, 508 mA cm−2), and a long cycling life of 0.73 million cycles. These results for diffusion-free Grotthuss topochemistry of protons, in contrast to orthodox battery electrochemistry, which requires ion diffusion inside electrodes, indicate a potential direction to revolutionize electrochemical energy storage for high-power applications. This Article presents a battery with protons as the charge carrier, as opposed to Li-ion batteries, which rely on the transport of Li-ions. Protons are conducted by means of the Grotthuss mechanism in a hydrated Prussian blue analogue electrode, offering potential for ultrafast rate and long-life batteries.

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.

Multielement solid solution alloys are intrinsically disordered on the atomic scale, and many of their advanced properties originate from the local structural characteristics. The local structure of a NiCoCr solid solution alloy is measured with x-ray or neutron total scattering and extended x-ray absorption fine structure (EXAFS) techniques. The atomic pair distribution function analysis does not exhibit an observable structural distortion. However, an EXAFS analysis suggests that the Cr atoms are favorably bonded with Ni and Co in the solid solution alloys. This short-range order (SRO) may make an important contribution to the low values of the electrical and thermal conductivities of the Cr-alloyed solid solutions. In addition, an EXAFS analysis of Ni ion irradiated samples reveals that the degree of SRO in NiCoCr alloys is enhanced after irradiation.

Nitrogen-rich transition-metal nitrides hold great promise to be the next-generation catalysts for clean and renewable energy applications. However, incorporation of nitrogen into the crystalline lattices of transition metals is thermodynamically unfavorable at atmospheric pressure; most of the known transition metal nitrides are nitrogen-deficient with molar ratios of N:metal less than a unity. In this work, we have formulated a high-pressure route for the synthesis of a nitrogen-rich molybdenum nitride through a solid-state ion-exchange reaction. The newly discovered nitride, 3R-MoN2, adopts a rhombohedral R3m structure, isotypic with MoS2. This new nitride exhibits catalytic activities that are three times more active than the traditional catalyst MoS2 for the hydrodesulfurization of dibenzothiophene and more than twice as high in the selectivity to hydrogenation. The nitride is also catalytically active in sour methanation of syngas with >80% CO and H2 conversion at 723 K. Our formulated route for the synthesis of 3R-MoN2 is at a moderate pressure of 3.5 GPa and, thus, is feasible for industrial-scale catalyst production.

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.

Uranium is arguably the most essential element in the actinide series, serving as a crucial component of nuclear fuels. While U is recognized for engaging the 5