We herein demonstrate self-doping of the CO32– anionic group into a wide bandgap semiconductor Bi2O2CO3 realized by a one-pot hydrothermal technique. The photoresponsive range of the self-doped Bi2O2CO3 can be extended from UV to visible light and the band gap can be continuously tuned. Density functional theory (DFT) calculation results demonstrate that the foreign CO32– ions are doped in the caves constructed by the four adjacent CO32– ions and the CO32– self-doping can effectively narrow the band gap of Bi2O2CO3 by lowering the conduction band position and meanwhile generating impurity level. The photocatalytic performance is evaluated by monitoring NO removal from the gas phase, photodegradation of a colorless contaminant (bisphenol A, BPA) in an aqueous solution, and photocurrent generation. In comparison with the pristine Bi2O2CO3 which is not sensitive to visible light, the self-doped Bi2O2CO3 exhibits drastically enhanced visible-light photoreactivity, which is also superior to that of many other well-known photocatalysts such as P25, C3N4, and BiOBr. The highly enhanced photocatalytic performance is attributed to combination of both efficient visible light absorption and separation of photogenerated electron–hole pairs. The self-doped Bi2O2CO3 also shows decent photochemical stability, which is of especial importance for its practical applications. This work demonstrates that self-doping with an anionic group enables the band gap engineering and the design of high-performance photocatalysts sensitive to visible light.

Graphitic carbon nitride (g-C3N4) has attracted enormous research attention as a promising low cost, visible-light driven semiconductor photocatalyst. However, low photoabsorption efficiencies and unsatisfactory charge separation limit the potential of g-C3N4 in many applications, motivating attempts to manipulate the structure and electronic properties of g-C3N4 to achieve improved performance. Here we describe a novel precursor-reforming strategy that ultimately affords 3D mesoporous ultrathin g-C3N4 with superior photocatalytic performance compared to conventional calcination-derived g-C3N4. We demonstrate that during hydrothermal treatment of melamine and urea, melamine undergoes an irreversible monoclinic to orthorhombic phase transformation, and the additive urea (excess typically 3-fold) serves as an additional N source and porogen. Calcination of the orthorhombic melamine yields mesoporous g-C3N4 with enhanced photoabsorption properties and an outstanding photoactivity. A 23-fold increased hydrogen evolution rate of 3579 μmol h−1 g−1 (λ > 420 nm) was achieved with an apparent quantum efficiency (AQE) of 27.8% at 420 ± 15 nm, a level of performance far beyond any AQE previously reported for ultrathin/porous/doped g-C3N4 photocatalyst. Our work conclusively demonstrates a new synthetic strategy towards high performance g-C3N4-based photocatalytic materials for energy applications.

A facile and general way for the synthesis of porous and hollow complex oxides is highly desirable owing to their significant applications for energy storage and other fields. In this contribution, uniform Mn0.33Co0.67CO3 and Co0.33Mn0.67CO3 microspheres are firstly fabricated solvothermally just by tuning the molar ratio of Mn and Co. Subsequently, the growth of multiporous MnCo2O4 and CoMn2O4 quasi-hollow microspheres by topotactic chemical transformation from the corresponding precursors are realized through a non-equilibrium heat treatment process. Topotactic conversion further demonstrated that the much larger CoMn2O4 pores than those of MnCo2O4 are possibly due to the longer transfer distance of ions. When evaluated as anode materials for LIBs (lithium ion batteries), after 25 cycles at a current density of 200 mA g−1, the resultant MnCo2O4 and CoMn2O4 quasi-hollow microspheres possessed reversible capacities of 755 and 706 mA h g−1, respectively. In particular, the MnCo2O4 samples could deliver a reversible capacity as high as 610 mA h g−1 even at a higher current density of 400 mA g−1 with excellent electrochemical stability after 100 cycles of testing, indicating its potential application in LIBs. We believe that such good performance results from the appropriate pore size and quasi-hollow nature of MnCo2O4 microspheres, which can effectively buffer the large volume variation of anodes based on the conversion reaction during Li+ insertion/extraction. The present strategy is simple but very effective, and due to its versatility, it can be extended to other binary, even ternary complex metal oxides with high-performance in LIBs.

The pure and Al-doped NiO nanorod-flowers with uniform sizes and well-defined morphologies were synthesized for the first time by a facile solvothermal reaction. As the gas sensing materials of MOS gas sensors, their sensing properties were investigated systematically. The results indicated that the 2.15 at% Al-doped NiO nanorod-flowers showed improved gas sensing properties compared to those of pure NiO nanorod-flowers. The incorporation of Al ions with NiO nanocrystals adjusts the carrier concentration, and induces the change of the oxygen deficiency and chemisorbed oxygen of NiO nanorod-flowers. Thus, the doping of Al3+ into NiO nanorod-flowers should be a promising method for designing and fabricating the high performance gas sensor.

Non-centrosymmetric polar Bi₂O₂(OH)(NO₃) with a rational band structure and {001} active exposing facets is developed as a robust layered photocatalyst for photooxidative diverse industrial contaminants and pharmaceuticals.

Solar-light driven CO2 reduction into value-added chemicals and fuels emerges as a significant approach for CO2 conversion. However, inefficient electron-hole separation and the complex multi-electrons transfer processes hamper the efficiency of CO2 photoreduction. Herein, we prepare ferroelectric Bi3TiNbO9 nanosheets and employ corona poling to strengthen their ferroelectric polarization to facilitate the bulk charge separation within Bi3TiNbO9 nanosheets. Furthermore, surface oxygen vacancies are introduced to extend the photo-absorption of the synthesized materials and also to promote the adsorption and activation of CO2 molecules on the catalysts' surface. More importantly, the oxygen vacancies exert a pinning effect on ferroelectric domains that enables Bi3TiNbO9 nanosheets to maintain superb ferroelectric polarization, tackling above-mentioned key challenges in photocatalytic CO2 reduction. This work highlights the importance of ferroelectric properties and controlled surface defect engineering, and emphasizes the key roles of tuning bulk and surface properties in enhancing the CO2 photoreduction performance.

Herein, an approach is reported for fabrication of Co-Nx -embedded 1D porous carbon nanofibers (CNFs) with graphitic carbon-encased Co nanoparticles originated from metal-organic frameworks (MOFs), which is further explored as a bifunctional electrocatalyst for both oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER). Electrochemical results reveal that the electrocatalyst prepared by pyrolysis at 1000 °C (CoNC-CNF-1000) exhibits excellent catalytic activity toward ORR that favors the four-electron ORR process and outstanding long-term stability with 86% current retention after 40 000 s. Meanwhile, it also shows superior electrocatalytic activity toward OER, reaching a lower potential of 1.68 V at 10 mA cm-2 and a potential gap of 0.88 V between the OER potential (at 10 mA cm-2 ) and the ORR half-wave potential. The ORR and OER performance of CoNC-CNF-1000 have outperformed commercial Pt/C and most nonprecious-metal catalysts reported to date. The remarkable ORR and OER catalytic performance can be mainly attributable to the unique 1D structure, such as higher graphitization degree beneficial for electronic mobility, hierarchical porosity facilitating the mass transport, and highly dispersed CoNx C active sites functionalized carbon framework. This strategy will shed light on the development of other MOF-based carbon nanofibers for energy storage and electrochemical devices.

Exposure of anisotropic crystal facets allows the directional transfer of photoexcited electrons (e- ) and holes (h+ ), for spatial charge separation. High-index facets with a high density of low-coordinated atoms always serve as reactive catalytic sites. However, preparation of multi-facets or high-index facets is highly challenging for layered bismuth-based photocatalysts. Herein, we report the preparation of unprecedented eighteen-faceted BiOCl with {001} top facets and {102} and {112} oblique facets via a hydrothermal process. Compared to the conventional BiOCl square plates with {001} top facets and {110} lateral facets, the eighteen-faceted BiOCl has highly enhanced photocatalytic activity for H2 evolution and hydroxyl radicals (. OH) production. Theoretical calculations and photodeposition results disclose that the of eighteen-faceted BiOCl has a well-matched {001}/{102}/{112} ternary facet junction, which provides a cascade path for more efficient charge flow than the binary facet junction in BiOCl square plates.

Semiconductor oxides with hierarchically hollow architecture can provide significant advantages as sensing materials for gas sensors by facilitating the diffusion of target gases. Herein, we develop a facile template-free solvothermal strategy combined with the subsequent thermal treatment process toward the successful synthesis of novel ZnFe2O4 hollow flower-like microspheres. The images of electron microscopy unambiguously indicated that the ZnFe2O4 nanosheets with thickness of around 20 nm assembled hierarchically to form the unique flower-like architecture. As a proof-of-concept demonstration of the function, the as-prepared product was utilized as sensing material for gas sensor. Significantly, in virtue of the porous shell structure, hollow interior, and large surface area, ZnFe2O4 hierarchical microspheres exhibited high response, excellent cyclability, and long-term stability to acetone at the operating temperature of 215 °C.

Novel nitrogen-doped carbon quantum dots (N-CQDs)/BiOBr ultrathin nanosheets photocatalysts have been prepared via reactable ionic liquid assisted solvothermal process. The one-step formation mechanism of the N-CQDs/BiOBr ultrathin nanosheets was based on the initial formation of strong coupling between the ionic liquid and N-CQDs as well as subsequently result in tight junctions between N-CQDs and BiOBr with homodisperse of N-CQDs. The photocatalytic activity of the as-prepared photocatalysts was evaluated by the degradation of different pollutants under visible light irradiation such as ciprofloxacin (CIP), rhodamine B (RhB), tetracycline hydrochloride (TC), and bisphenol A (BPA). The improved photocatalytic performance of N-CQDs/BiOBr materials was ascribed to the crucial role of N-CQDs, which worked as photocenter for light harvesting, charge separation center for separating the charge carriers, and active center for degrading the pollutants. After the modification of N-CQDs, the molecular oxygen activation ability of N-CQDs/BiOBr materials was greatly enhanced. A possible photocatalytic mechanism based on experimental results was proposed.