The design of active, robust, and nonprecious electrocatalysts with both H2 and O2 evolution reaction (HER and OER) activities for overall water splitting is highly desirable but remains a grand challenge. Herein, we report a facile two-step method to synthesize porous Co-P/NC nanopolyhedrons composed of CoPx (a mixture of CoP and Co2P) nanoparticles embedded in N-doped carbon matrices as electrocatalysts for overall water splitting. The Co-P/NC catalysts were prepared by direct carbonization of Co-based zeolitic imidazolate framework (ZIF-67) followed by phosphidation. Benefiting from the large specific surface area, controllable pore texture, and high nitrogen content of ZIF (a subclass of metal–organic frameworks), the optimal Co-P/NC showed high specific surface area of 183 m2 g–1 and large mesopores, and exhibited remarkable catalytic performance for both HER and OER in 1.0 M KOH, affording a current density of 10 mA cm–2 at low overpotentials of −154 mV for HER and 319 mV for OER, respectively. Furthermore, a Co-P/NC-based alkaline electrolyzer approached 165 mA cm–2 at 2.0 V, superior to that of Pt/IrO2 couple, along with strong stability. Various characterization techniques including X-ray absorption spectroscopy (XAS) revealed that the superior activity and strong stability of Co-P/NC originated from its 3D interconnected mesoporosity with high specific surface area, high conductivity, and synergistic effect of CoPx encapsulated within N-doped carbon matrices.

In situ X-ray absorption spectroscopy (XAS) is a powerful technique that can be applied to electrochemical systems, with the ability to elucidate the chemical nature of electrocatalysts under reaction conditions. In this study, we perform in situ XAS measurements on a bifunctional manganese oxide (MnOx) catalyst with high electrochemical activity for the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER). Using X-ray absorption near edge structure (XANES) and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS), we find that exposure to an ORR-relevant potential of 0.7 V vs RHE produces a disordered Mn3II,III,IIIO4 phase with negligible contributions from other phases. After the potential is increased to a highly anodic value of 1.8 V vs RHE, relevant to the OER, we observe an oxidation of approximately 80% of the catalytic thin film to form a mixed MnIII,IV oxide, while the remaining 20% of the film consists of a less oxidized phase, likely corresponding to unchanged Mn3II,III,IIIO4. XAS and electrochemical characterization of two thin film catalysts with different MnOx thicknesses reveals no significant influence of thickness on the measured oxidation states, at either ORR or OER potentials, but demonstrates that the OER activity scales with film thickness. This result suggests that the films have porous structure, which does not restrict electrocatalysis to the top geometric layer of the film. As the portion of the catalyst film that is most likely to be oxidized at the high potentials necessary for the OER is that which is closest to the electrolyte interface, we hypothesize that the MnIII,IV oxide, rather than Mn3II,III,IIIO4, is the phase pertinent to the observed OER activity.

Inspired by the period-four oscillation in flash-induced oxygen evolution of photosystem II discovered by Joliot in 1969, Kok performed additional experiments and proposed a five-state kinetic model for photosynthetic oxygen evolution, known as Kok’s S-state clock or cycle1,2. The model comprises four (meta)stable intermediates (S0, S1, S2 and S3) and one transient S4 state, which precedes dioxygen formation occurring in a concerted reaction from two water-derived oxygens bound at an oxo-bridged tetra manganese calcium (Mn4CaO5) cluster in the oxygen-evolving complex3–7. This reaction is coupled to the two-step reduction and protonation of the mobile plastoquinone QB at the acceptor side of PSII. Here, using serial femtosecond X-ray crystallography and simultaneous X-ray emission spectroscopy with multi-flash visible laser excitation at room temperature, we visualize all (meta)stable states of Kok’s cycle as high-resolution structures (2.04–2.08 Å). In addition, we report structures of two transient states at 150 and 400 µs, revealing notable structural changes including the binding of one additional ‘water’, Ox, during the S2→S3 state transition. Our results suggest that one water ligand to calcium (W3) is directly involved in substrate delivery. The binding of the additional oxygen Ox in the S3 state between Ca and Mn1 supports O–O bond formation mechanisms involving O5 as one substrate, where Ox is either the other substrate oxygen or is perfectly positioned to refill the O5 position during O2 release. Thus, our results exclude peroxo-bond formation in the S3 state, and the nucleophilic attack of W3 onto W2 is unlikely. Crystallography and spectroscopy are used to solve high-resolution structures of the intermediates of Kok’s S-state clock in photosystem II.

One Protein, Two Probes A central challenge in the use of x-ray diffraction to characterize macromolecular structure is the propensity of the high-energy radiation to damage the sample during data collection. Recently, a powerful accelerator-based, ultrafast x-ray laser source has been used to determine the geometric structures of small protein crystals too fragile for conventional diffraction techniques. Kern et al. (p. 491 , published online 14 February) now pair this method with concurrent x-ray emission spectroscopy to probe electronic structure, as well as geometry, and were able to characterize the metal oxidation states in the oxygen-evolving complex within photosystem II crystals, while simultaneously verifying the surrounding protein structure.

A comprehensive approach to understanding the electronic structure of monoclinic scheelite bismuth vanadate (ms-BiVO4), including both valence band (VB) and conduction band (CB) orbital character, is presented. Density functional theory (DFT) calculations are directly compared to experimental data obtained via X-ray absorption spectroscopy (XAS), X-ray emission spectroscopy, resonant inelastic X-ray spectroscopy (RIXS), and X-ray photoelectron spectroscopy to provide a complete portrait of the total and partial density of states (DOS) near the bandgap. DFT calculations are presented to confirm the VB maximum and CB minimum are comprised primarily of O 2p and V 3d orbitals, respectively. Predicted triplet d-manifold splitting of V 3d CB states, arising from lone pair-induced lattice distortions, is quantified by V L- and O K-edge XAS. Furthermore, the partial contributions to the total DOS within both the CB and VB, determined by RIXS, are found to be in excellent agreement with DFT calculations. Energy levels are placed relative to the vacuum level by photoemission spectroscopy, which provides a measure of the work function and electron affinity of the investigated BiVO4 thin film. The implications of the fundamental electronic structure of ms-BiVO4 on its photocatalytic behavior, as well as considerations for improvements by substitutional incorporation of additional elements, are discussed.

The structures of three intermediate states of photosystem II, which is crucial for photosynthesis, have been solved at room temperature, shedding new light on this process. During the conversion of light into energy in plants, photosystem II oxidizes water within a Mn4CaO5 cluster in the oxygen evolving complex (OEC). This process involves five intermediate states that have eluded structural determination until now. Junko Yano and colleagues use a femtosecond X-ray free electron laser (XFEL) to capture three of these states at room temperature. As the structure was solved in the presence of ammonia, a water analogue, the authors are able to conclude that the ammonia-binding Mn site is not a substrate water site. Light-induced oxidation of water by photosystem II (PS II) in plants, algae and cyanobacteria has generated most of the dioxygen in the atmosphere. PS II, a membrane-bound multi-subunit pigment protein complex, couples the one-electron photochemistry at the reaction centre with the four-electron redox chemistry of water oxidation at the Mn4CaO5 cluster in the oxygen-evolving complex (OEC). Under illumination, the OEC cycles through five intermediate S-states (S0 to S4)1, in which S1 is the dark-stable state and S3 is the last semi-stable state before O–O bond formation and O2 evolution2,3. A detailed understanding of the O–O bond formation mechanism remains a challenge, and will require elucidation of both the structures of the OEC in the different S-states and the binding of the two substrate waters to the catalytic site4,5,6. Here we report the use of femtosecond pulses from an X-ray free electron laser (XFEL) to obtain damage-free, room temperature structures of dark-adapted (S1), two-flash illuminated (2F; S3-enriched), and ammonia-bound two-flash illuminated (2F-NH3; S3-enriched) PS II. Although the recent 1.95 Å resolution structure of PS II at cryogenic temperature using an XFEL7 provided a damage-free view of the S1 state, measurements at room temperature are required to study the structural landscape of proteins under functional conditions8,9, and also for in situ advancement of the S-states. To investigate the water-binding site(s), ammonia, a water analogue, has been used as a marker, as it binds to the Mn4CaO5 cluster in the S2 and S3 states10. Since the ammonia-bound OEC is active, the ammonia-binding Mn site is not a substrate water site10,11,12,13. This approach, together with a comparison of the native dark and 2F states, is used to discriminate between proposed O–O bond formation mechanisms.

The two-dimensionally connected metal–organic frameworks (MOFs) Ni3(HIB)2 and Cu3(HIB)2 (HIB = hexaiminobenzene) are bulk electrical conductors and exhibit ultraviolet-photoelectron spectroscopy (UPS) signatures expected of metallic solids. Electronic band structure calculations confirm that in both materials the Fermi energy lies in a partially filled delocalized band. Together with additional structural characterization and microscopy data, these results represent the first report of metallic behavior and permanent porosity coexisting within a metal–organic framework.

Monoclinic scheelite bismuth vanadate (m-BiVO4) is a promising semiconductor photoanode for photoelectrochemical (PEC) water splitting. Despite considerable recent progress in achieving improved photocurrents and photovoltages, there remain open questions about the basic optoelectronic properties of this material. Indeed, there is disagreement about the nature of its fundamental bandgap, with theoretical predictions and some experimental observations pointing to an indirect bandgap and other experimental studies to a direct bandgap. Knowledge of this property is critical for understanding light absorption and photocarrier properties, as well as for establishing rational approaches to improved efficiency. Here, experimental spectroscopic techniques are used to resolve this issue and provide a fundamental portrait of the optical properties of the material. Resonant inelastic X-ray scattering proves conclusively that m-BiVO4 is an indirect bandgap semiconductor. These measurements are supported by UV–vis absorption spectroscopy and spectroscopic ellipsometry, which confirm this finding and also indicate the presence of a direct transition located at 200 meV above the indirect one. The spectral dependence of the optical constants is determined by development of a photophysical model for the ellipsometric data. Photogenerated carrier dynamics are probed by transient absorption spectroscopy, which reveals a relatively long lifetime compared to other commonly utilized metal oxide photoanodes and is attributed to the indirect nature of the fundamental gap. The combination of strong visible light absorption and relatively long excited state lifetime provides the basis for the high performance that has been achieved from BiVO4 photoanodes for water splitting.

The reduction of protons into dihydrogen is important because of its potential use in a wide range of energy applications. The preparation of efficient and cheap catalysts for this reaction is one of the issues that need to be tackled to allow the widespread use of hydrogen as an energy carrier. In this paper, we report the study of an amorphous molybdenum sulfide (MoSx) proton reducing electrocatalyst under functional conditions, using in situ X-ray absorption spectroscopy. We probed the local and electronic structures of both the molybdenum and sulfur elements for the as prepared material as well as the precatalytic and catalytic states. The as prepared material is very similar to MoS3 and remains unmodified under functional conditions (pH = 2 aqueous HNO3) in the precatalytic state (+0.3 V vs RHE). In its catalytic state (-0.3 V vs RHE), the film is reduced to an amorphous form of MoS2 and shows spectroscopic features that indicate the presence of terminal disulfide units. These units are formed concomitantly with the release of hydrogen, and we suggest that the rate-limiting step of the HER is the reduction and protonation of these disulfide units. These results show the implication of terminal disulfide chemical motifs into HER driven by transition-metal sulfides and provide insight into their reaction mechanism.

The development of low-cost hybrid water splitting–biosynthetic systems that mimic natural photosynthesis to achieve solar-to-chemical conversion is of great promise for future energy demands, but often limited by the kinetically sluggish hydrogen evolution reaction (HER) on the surface of nonprecious transition metal catalysts in neutral media. It is thus highly desirable to rationally tailor the reaction interface to boost the neutral HER catalytic kinetics. Herein, we report a general surface nitrogen modification of diverse transition metals (e.g., iron, cobalt, nickel, copper, and nickel–cobalt alloy), accomplished by a facile low-temperature ammonium carbonate treatment, for significantly improved hydrogen generation from neutral water. Various physicochemical characterization techniques including synchrotron X-ray absorption spectroscopy (XAS) and theory modeling demonstrate that the surface nitrogen modification does not change the chemical composition of the underlying transition metals. Notably, the resulting nitrogen-modified nickel framework (N–Ni) exhibits an extremely low overpotential of 64 mV at 10 mA cm–2, which is, to our knowledge, the best among those nonprecious electrocatalysts reported for hydrogen evolution at pH 7. Our combined experimental results and density functional theory (DFT) calculations reveal that the surface electron-rich nitrogen simultaneously facilitates the initial adsorption of water via the electron-deficient H atom and the subsequent dissociation of the electron-rich HO–H bond via H transfer to N on the nickel surface, beneficial to the overall hydrogen evolution process.