Abstract Electrochemical water splitting is one of the most economical and sustainable methods for large-scale hydrogen production. However, the development of low-cost and earth-abundant non-noble-metal catalysts for the hydrogen evolution reaction remains a challenge. Here we report a two-dimensional coupled hybrid of molybdenum carbide and reduced graphene oxide with a ternary polyoxometalate-polypyrrole/reduced graphene oxide nanocomposite as a precursor. The hybrid exhibits outstanding electrocatalytic activity for the hydrogen evolution reaction and excellent stability in acidic media, which is, to the best of our knowledge, the best among these reported non-noble-metal catalysts. Theoretical calculations on the basis of density functional theory reveal that the active sites for hydrogen evolution stem from the pyridinic nitrogens, as well as the carbon atoms, in the graphene. In a proof-of-concept trial, an electrocatalyst for hydrogen evolution is fabricated, which may open new avenues for the design of nanomaterials utilizing POMs/conducting polymer/reduced-graphene oxide nanocomposites.

Facile design of low‐cost and highly active catalysts from earth‐abundant elements is favorable for the industrial application of water splitting. Here, a simple strategy to synthesize an ultrathin molybdenum disulfide/nitrogen‐doped reduced graphene oxide (MoS 2 /N‐RGO‐180) nanocomposite with the enlarged interlayer spacing of 9.5 Å by a one‐step hydrothermal method is reported. The synergistic effects between the layered MoS 2 nanosheets and N‐doped RGO films contribute to the high activity for hydrogen evolution reaction (HER). MoS 2 /N‐RGO‐180 exhibits the excellent catalytic activity with a low onset potential of −5 mV versus reversible hydrogen elelctrode (RHE), a small Tafel slope of 41.3 mV dec −1 , a high exchange current density of 7.4 × 10 −4 A cm −2 , and good stability over 5 000 cycles under acidic conditions. The HER performance of MoS 2 /N‐RGO‐180 nanocomposite is superior to the most reported MoS 2 ‐based catalysts, especially its onset potential and exchange current density. In this work, a novel and simple method to the preparation of low‐cost MoS 2 ‐based electrocatalysts with the extraordinary HER performance is presented.

Imidazole molecules were frequently incorporated into porous materials to improve their proton conductivity. To investigate how different arrangements of imidazoles in metal-organic frameworks (MOFs) affect the overall proton conduction, we designed and prepared a MOF-based model system. It includes an Fe-MOF as the blank, an imidazole@Fe-MOF (Im@Fe-MOF) with physically adsorbed imidazole, and an imidazole-Fe-MOF (Im-Fe-MOF), which contains chemically coordinated imidazole molecules. The parent Fe-MOF, synthesized from the exchange of carboxylates in the preformed [Fe3(μ3-O)](carboxylate)6 clusters and multitopic carboxylate ligands, serves as a control. The Im@Fe-MOF was prepared by encapsulating free imidazole molecules into the pores of the Fe-MOF, whereas the Im-Fe-MOF was obtained in situ, in which imidazole ligands coordinate to the metal nodes of the framework. Proton-conductivity analyses revealed that the proton conductivity of Im-Fe-MOF was approximately two orders of magnitude greater than those of Fe-MOF and Im@Fe-MOF at room temperature. The high proton conductivity of 1.21 × 10-2 S cm-1 at 60 °C for Im-Fe-MOF ranks among the highest performing MOFs ever reported. The results of the density functional theory calculations suggest that coordinated imidazole molecules in Im-Fe-MOF provide a greater concentration of protons for proton transportation than do coordinated water molecules in Fe-MOF alone. Besides, Im-Fe-MOF exhibits steadier performance than Im@Fe-MOF does after being washed with water. Our investigation using the above ideal crystalline model system demonstrates that compared to disorderly arranged imidazole molecules in pores, the immobilized imidazole molecules by coordination bonds in the framework are more prone to form proton-conduction pathways and thus perform better and steadier in water-mediated proton conduction.

Abstract Despite wide applications of bimetallic electrocatalysis in oxygen evolution reaction (OER) owing to their superior performance, the origin of the improved performance remains elusive. The underlying mechanism was explored by designing and synthesizing a series of stable metal–organic frameworks (MOFs: NNU‐21–24 ) based on trinuclear metal carboxylate clusters and tridentate carboxylate ligands. Among the examined stable MOFs, NNU‐23 exhibits the best OER performance; particularly, compared with monometallic MOFs, all the bimetallic MOFs display improved OER activity. DFT calculations and experimental results demonstrate that introduction of the second metal atom can improve the activity of the original atom. The proposed model of bimetallic electrocatalysts affecting their OER performance can facilitate design of efficient bimetallic catalysts for energy storage and conversion, and investigation of the related catalytic mechanisms.

The photocatalytic reduction of CO2 to energy carriers has emerged as one of the most promising strategies to alleviate the energy crisis and CO2 pollution, for which the development of catalyst was considered as the determining factor for the accomplishment of this conversion process. In this study, three stable and isostructural metal–organic frameworks (denoted as MOF-Ni, MOF-Co, and MOF-Cu) have been synthesized and used as heterogeneous catalysts in photocatalytic CO2 reduction reaction (CO2RR). It is worth noting that the MOF-Ni exhibited very high selectivity of 97.7% for photoreducing CO2 to CO, which has exceeded most of the reported MOF-based catalysts in the field. Significantly, the MOFs associated with a monometallic catalytic center offer a simple and precise structural model which allows us to understand more definitively the specific effects of different metal-ion species on photoreduction of CO2 as well as the reactive mechanism.

A highly effective, low-cost strategy for improved photocatalytic efficiency and stability of CdS is described. Based on the integration of hexagonal-cubic core-shell architecture with nanorod morphology, the concentric CdS nanorod phase junctions (NRPJs) obtained demonstrate extremely high H2 production rate and unprecedented photocatalytic stability.

A new metal–organic framework [Zn5(hfipbb)4(trz)2(H2O)2] (NNU-1) [H2hfipbb = 4,4′-(hexafluoroisopropylidene)bis(benzoic acid), Htrz = 1H-1,2,3-triazole] was assembled by hydrothermal synthesis. Single-crystal X-ray diffraction analysis reveals that NNU-1 displays a twofold interpenetrating three-dimensional (3D) framework with a {424·64}-bcu topology. Interestingly, the 3D framework contains a two-dimensional (2D) layered structure that consists of alternating left- and right-handed double helical chains. On the basis of the hydrophobic −CF3 groups from H2hfipbb ligand, NNU-1 possesses excellent stability in water. It is worth noting that NNU-1 not only shows a highly selective fluorescence quenching effect to Fe3+ ion in aqueous solution but also resists the interference of other metals including Fe2+ ion. Accordingly, NNU-1 probably functions as a potential promising fluorescence sensor for detecting Fe3+ ion with high sensitivity and selectivity.

Cu(I)-based catalysts have proven to play an important role in the formation of specific hydrocarbon products from electrochemical carbon dioxide reduction reaction (CO2RR). However, it is difficult to understand the effect of intrinsic cuprophilic interactions inside the Cu(I) catalysts on the electrocatalytic mechanism and performance. Herein, two stable copper(I)-based coordination polymer (NNU-32 and NNU-33(S)) catalysts are synthesized and integrated into a CO2 flow cell electrolyzer, which exhibited very high selectivity for electrocatalytic CO2-to-CH4 conversion due to clearly inherent intramolecular cuprophilic interactions. Substitution of hydroxyl radicals for sulfate radicals during the electrocatalytic process results in an in situ dynamic crystal structure transition from NNU-33(S) to NNU-33(H), which further strengthens the cuprophilic interactions inside the catalyst structure. Consequently, NNU-33(H) with enhanced cuprophilic interactions shows an outstanding product (CH4) selectivity of 82% at −0.9 V (vs reversible hydrogen electrode, j = 391 mA cm–2), which represents the best crystalline catalyst for electrocatalytic CO2-to-CH4 conversion to date. Moreover, the detailed DFT calculations also prove that the cuprophilic interactions can effectively facilitate the electroreduction of CO2 to CH4 by decreasing the Gibbs free energy change of potential determining step (*H2COOH → *OCH2). Significantly, this work first explored the effect of intrinsic cuprophilic interactions of Cu(I)-based catalysts on the electrocatalytic performance of CO2RR and provides an important case study for designing more stable and efficient crystalline catalysts to reduce CO2 to high-value carbon products.

Abstract A series of stable heterometallic Fe 2 M cluster‐based MOFs ( NNU‐31‐M , M=Co, Ni, Zn) photocatalysts are presented. They can achieve the overall conversion of CO 2 and H 2 O into HCOOH and O 2 without the assistance of additional sacrificial agent and photosensitizer. The heterometallic cluster units and photosensitive ligands excited by visible light generate separated electrons and holes. Then, low‐valent metal M accepts electrons to reduce CO 2 , and high‐valent Fe uses holes to oxidize H 2 O. This is the first MOF photocatalyst system to finish artificial photosynthetic full reaction. It is noted that NNU‐31‐Zn exhibits the highest HCOOH yield of 26.3 μmol g −1 h −1 (selectivity of ca. 100 %). Furthermore, the DFT calculations based on crystal structures demonstrate the photocatalytic reaction mechanism. This work proposes a new strategy for how to design crystalline photocatalyst to realize artificial photosynthetic overall reaction.