Finding an ideal model for disclosing the role of oxygen vacancies in photocatalysis remains a huge challenge. Herein, O-vacancies confined in atomically thin sheets is proposed as an excellent platform to study the O-vacancy-photocatalysis relationship. As an example, O-vacancy-rich/-poor 5-atom-thick In2O3 porous sheets are first synthesized via a mesoscopic-assembly fast-heating strategy, taking advantage of an artificial hexagonal mesostructured In-oleate complex. Theoretical/experimental results reveal that the O-vacancies endow 5-atom-thick In2O3 sheets with a new donor level and increased states of density, hence narrowing the band gap from the UV to visible regime and improving the carrier separation efficiency. As expected, the O-vacancy-rich ultrathin In2O3 porous sheets-based photoelectrode exhibits a visible-light photocurrent of 1.73 mA/cm(2), over 2.5 and 15 times larger than that of the O-vacancy-poor ultrathin In2O3 porous sheets- and bulk In2O3-based photoelectrodes.

The effect of defects on electron-hole separation is not always clear and is sometimes contradictory. Herein, we initially built clear models of two-dimensional atomic layers with tunable defect concentrations, and hence directly disclose the defect type and distribution at atomic level. As a prototype, defective one-unit-cell ZnIn2S4 atomic layers are successfully synthesized for the first time. Aberration-corrected scanning transmission electron microscopy directly manifests their distinct zinc vacancy concentrations, confirmed by positron annihilation spectrometry and electron spin resonance analysis. Density-functional calculations reveal that the presence of zinc vacancies ensures higher charge density and efficient carrier transport, verified by ultrafast photogenerated electron transfer time of ∼15 ps from the conduction band of ZnIn2S4 to the trap states. Ultrafast transient absorption spectroscopy manifests the higher zinc vacancy concentration that allows for ∼1.7-fold increase in average recovery lifetime, confirmed by surface photovoltage spectroscopy and PL spectroscopy analysis, which ensures promoted carrier separation rates. As a result, the one-unit-cell ZnIn2S4 layers with rich zinc vacancies exhibit a carbon monoxide formation rate of 33.2 μmol g-1 h-1, roughly 3.6 times higher than that of the one-unit-cell ZnIn2S4 layers with poor zinc vacancies, while the former's photocatalytic activity shows negligible loss after 24 h photocatalysis. This present work uncovers the role of defects in affecting electron-hole separation at atomic level, opening new opportunities for achieving highly efficient solar CO2 reduction performances.

Manipulation at the atomic level: Freestanding SnS2 single-layers with three atom thickness were synthesized through an exfoliation strategy (see picture). The SnS2 single-layers have an increased density of states at the valence band edge. A photoelectrode made from this material shows a visible-light conversion efficiency of 38.7 % that is superior to most existing reports. 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.

Unearthing an ideal model for disclosing the role of defect sites in solar CO2 reduction remains a great challenge. Here, freestanding gram-scale single-unit-cell o-BiVO4 layers are successfully synthesized for the first time. Positron annihilation spectrometry and X-ray fluorescence unveil their distinct vanadium vacancy concentrations. Density functional calculations reveal that the introduction of vanadium vacancies brings a new defect level and higher hole concentration near Fermi level, resulting in increased photoabsorption and superior electronic conductivity. The higher surface photovoltage intensity of single-unit-cell o-BiVO4 layers with rich vanadium vacancies ensures their higher carriers separation efficiency, further confirmed by the increased carriers lifetime from 74.5 to 143.6 ns revealed by time-resolved fluorescence emission decay spectra. As a result, single-unit-cell o-BiVO4 layers with rich vanadium vacancies exhibit a high methanol formation rate up to 398.3 μmol g-1 h-1 and an apparent quantum efficiency of 5.96% at 350 nm, much larger than that of single-unit-cell o-BiVO4 layers with poor vanadium vacancies, and also the former's catalytic activity proceeds without deactivation even after 96 h. This highly efficient and spectrally stable CO2 photoconversion performances hold great promise for practical implementation of solar fuel production.

Solar CO2 reduction efficiency is largely limited by poor photoabsorption, sluggish electron-hole separation, and a high CO2 activation barrier. Defect engineering was employed to optimize these crucial processes. As a prototype, BiOBr atomic layers were fabricated and abundant oxygen vacancies were deliberately created on their surfaces. X-ray absorption near-edge structure and electron paramagnetic resonance spectra confirm the formation of oxygen vacancies. Theoretical calculations reveal the creation of new defect levels resulting from the oxygen vacancies, which extends the photoresponse into the visible-light region. The charge delocalization around the oxygen vacancies contributes to CO2 conversion into COOH* intermediate, which was confirmed by in situ Fourier-transform infrared spectroscopy. Surface photovoltage spectra and time-resolved fluorescence emission decay spectra indicate that the introduced oxygen vacancies promote the separation of carriers. As a result, the oxygen-deficient BiOBr atomic layers achieve visible-light-driven CO2 reduction with a CO formation rate of 87.4 μmol g-1 h-1 , which was not only 20 and 24 times higher than that of BiOBr atomic layers and bulk BiOBr, respectively, but also outperformed most previously reported single photocatalysts under comparable conditions.

Inorganic graphene analogues (IGAs) are a conceptually new class of materials with attractive applications in next-generation flexible and transparent nanodevices. However, their species are only limited to layered compounds, and the difficulty in extension to non-layered compounds hampers their widespread applicability. Here we report the fabrication of large-area freestanding single layers of non-layered ZnSe with four-atomic thickness, using a strategy involving a lamellar hybrid intermediate. Their surface distortion, revealed by means of synchrotron radiation X-ray absorption fine structure spectroscopy, is shown to give rise to a unique electronic structure and an excellent structural stability, thus determining an enhanced solar water splitting efficiency and photostability. The ZnSe single layers exhibit a photocurrent density of 2.14 mA cm(-2) at 0.72 V versus Ag/AgCl under 300 W Xe lamp irradiation, 195 times higher than that of bulk counterpart. This work opens the door for extending atomically thick IGAs to non-layered compounds and holds promise for a wealth of innovative applications.

Electroreduction of CO2 into hydrocarbons could contribute to alleviating energy crisis and global warming. However, conventional electrocatalysts usually suffer from low energetic efficiency and poor durability. Herein, atomic layers for transition-metal oxides are proposed to address these problems through offering an ultralarge fraction of active sites, high electronic conductivity, and superior structural stability. As a prototype, 1.72 and 3.51 nm thick Co3O4 layers were synthesized through a fast-heating strategy. The atomic thickness endowed Co3O4 with abundant active sites, ensuring a large CO2 adsorption amount. The increased and more dispersed charge density near Fermi level allowed for enhanced electronic conductivity. The 1.72 nm thick Co3O4 layers showed over 1.5 and 20 times higher electrocatalytic activity than 3.51 nm thick Co3O4 layers and bulk counterpart, respectively. Also, 1.72 nm thick Co3O4 layers showed formate Faradaic efficiency of over 60% in 20 h.

The role of oxygen vacancies in carbon dioxide electroreduction remains somewhat unclear. Here we construct a model of oxygen vacancies confined in atomic layer, taking the synthetic oxygen-deficient cobalt oxide single-unit-cell layers as an example. Density functional theory calculations demonstrate the main defect is the oxygen(II) vacancy, while X-ray absorption fine structure spectroscopy reveals their distinct oxygen vacancy concentrations. Proton transfer is theoretically/experimentally demonstrated to be a rate-limiting step, while energy calculations unveil that the presence of oxygen(II) vacancies lower the rate-limiting activation barrier from 0.51 to 0.40 eV via stabilizing the formate anion radical intermediate, confirmed by the lowered onset potential from 0.81 to 0.78 V and decreased Tafel slope from 48 to 37 mV dec-1. Hence, vacancy-rich cobalt oxide single-unit-cell layers exhibit current densities of 2.7 mA cm-2 with ca. 85% formate selectivity during 40-h tests. This work establishes a clear atomic-level correlation between oxygen vacancies and carbon dioxide electroreduction.

Abstract Electrocatalytic CO 2 reduction at considerably low overpotentials still remains a great challenge. Here, a positively charged single‐atom metal electrocatalyst to largely reduce the overpotentials is designed and hence CO 2 electroreduction performance is accelerated. Taking the metal Sn as an example, kilogram‐scale single‐atom Sn δ + on N‐doped graphene is first fabricated by a quick freeze–vacuum drying–calcination method. Synchrotron‐radiation X‐ray absorption fine structure and high‐angle annular dark‐field scanning transmission electron microscopy demonstrate the atomically dispersed Sn atoms are positively charged, which enables CO 2 activation and protonation to proceed spontaneously through stabilizing CO 2 •− * and HCOO − *, affirmed by in situ Fourier transform infrared spectra and Gibbs free energy calculations. Furthermore, N‐doping facilitates the rate‐limiting formate desorption step, verified by the decreased desorption energy from 2.16 to 1.01 eV and the elongated SnHCOO − bond length. As an result, single‐atom Sn δ + on N‐doped graphene exhibits a very low onset overpotential down to 60 mV for formate production and shows a very large turnover frequency up to 11930 h −1 , while its electroreduction activity proceeds without deactivation even after 200 h. This work offers a new pathway for manipulating electrocatalytic performance.