Abstract Nonprecious metal catalysts (NPMCs) FeNC are promising alternatives to noble metal Pt as the oxygen reduction reaction (ORR) catalysts for proton‐exchange‐membrane fuel cells. Herein, a new modulation strategy is reported to the active moiety FeN 4 via a precise “single‐atom to single‐atom” grafting of a Pt atom onto the Fe center through a bridging oxygen molecule, creating a new active moiety of Pt 1 O 2 Fe 1 N 4 . The modulated FeNC exhibits remarkably improved ORR stabilities in acidic media. Moreover, it shows unexpectedly high catalytic activities toward oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER), with overpotentials of 310 mV for OER in alkaline solution and 60 mV for HER in acidic media at a current density of 10 mA cm −2 , outperforming the benchmark RuO 2 and comparable with Pt/C(20%), respectively. The enhanced multifunctional electrocatalytic properties are associated with the newly constructed active moiety Pt 1 O 2 Fe 1 N 4 , which protects Fe sites from harmful species. Density functional theory calculations reveal the synergy in the new active moiety, which promotes the proton adsorption and reduction kinetics. In addition, the grafted Pt 1 O 2  dangling bonds may boost the OER activity. This study paves a new way to improve and extend NPMCs electrocatalytic properties through a precisely single‐atom to single‐atom grafting strategy.

Simultaneously increasing the activity and stability of the single-atom active sites of M-N-C catalysts is critical but remains a great challenge. Here, we report an Fe-N-C catalyst with nitrogen-coordinated iron clusters and closely surrounding Fe-N4 active sites for oxygen reduction reaction in acidic fuel cells. A strong electronic interaction is built between iron clusters and satellite Fe-N4 due to unblocked electron transfer pathways and very short interacting distances. The iron clusters optimize the adsorption strength of oxygen reduction intermediates on Fe-N4 and also shorten the bond amplitude of Fe-N4 with incoherent vibrations. As a result, both the activity and stability of Fe-N4 sites are increased by about 60% in terms of turnover frequency and demetalation resistance. This work shows the great potential of strong electronic interactions between multiphase metal species for improvements of single-atom catalysts.

Non-precious-metal or metal-free catalysts with stability are desirable but challenging for proton exchange membrane fuel cells. Here we partially unzip a multiwall carbon nanotube to synthesize zigzag-edged graphene nanoribbons with a carbon nanotube backbone for electrocatalysis of oxygen reduction in proton exchange membrane fuel cells. Zigzag carbon exhibits a peak areal power density of 0.161 W cm-2 and a peak mass power density of 520 W g-1, superior to most non-precious-metal electrocatalysts. Notably, the stability of zigzag carbon is improved in comparison with a representative iron-nitrogen-carbon catalyst in a fuel cell with hydrogen/oxygen gases at 0.5 V. Density functional theory calculation coupled with experimentation reveal that a zigzag carbon atom is the most active site for oxygen reduction among several types of carbon defects on graphene nanoribbons in acid electrolyte. This work demonstrates that zigzag carbon is a promising electrocatalyst for low-cost and durable proton exchange membrane fuel cells.

Abstract Although lithium–sulfur (Li–S) batteries are one of the most promising energy storage devices owing to their high energy densities, the sluggish reaction kinetics and severe shuttle effect of the sulfur cathodes hinder their practical applications. Here, single atom zinc implanted MXene is introduced into a sulfur cathode, which can not only catalyze the conversion reactions of polysulfides by decreasing the energy barriers from Li 2 S 4 to Li 2 S 2 /Li 2 S but also achieve strong interaction with polysulfides due to the high electronegativity of atomic zinc on MXene. Moreover, it is found that the homogenously dispersed zinc atoms can also accelerate the nucleation of Li 2 S 2 /Li 2 S on MXene layers during the redox reactions. As a result, the sulfur cathode with single atom zinc implanted MXene exhibits a high reversible capacity of 1136 mAh g −1 . After electrode optimization, a high areal capacity of 5.3 mAh cm −2 , high rate capability of 640 mAh g −1 at 6 C, and good cycle stability (80% capacity retention after 200 cycles at 4 C) can be achieved.

The active sites of Fe–N–C catalysts are nitrogen coordinated iron atoms, FeNx(x = 1–5), that have five possible coordination numbers, corresponding to different ORR activities and PEMFC performances.

Abstract High‐entropy materials (HEMs) have great potential for energy storage and conversion due to their diverse compositions, and unexpected physical and chemical features. However, high‐entropy atomic layers with fully exposed active sites are difficult to synthesize since their phases are easily segregated. Here, it is demonstrated that high‐entropy atomic layers of transition‐metal carbide (HE‐MXene) can be produced via the selective etching of novel high‐entropy MAX (also termed M n +1 AX n ( n = 1, 2, 3), where M represents an early transition‐metal element, A is an element mainly from groups 13–16, and X stands for C and/or N) phase (HE‐MAX) (Ti 1/5 V 1/5 Zr 1/5 Nb 1/5 Ta 1/5 ) 2 AlC, in which the five transition‐metal species are homogeneously dispersed into one MX slab due to their solid‐solution feature, giving rise to a stable transition‐metal carbide in the atomic layers owing to the high molar configurational entropy and correspondingly low Gibbs free energy. Additionally, the resultant high‐entropy MXene with distinct lattice distortions leads to high mechanical strain into the atomic layers. Moreover, the mechanical strain can efficiently guide the nucleation and uniform growth of dendrite‐free lithium on HE‐MXene, achieving a long cycling stability of up to 1200 h and good deep stripping–plating levels of up to 20 mAh cm −2 .

Single atom catalysts possess attractive electrocatalytic activities for various chemical reactions owing to their favorable geometric and electronic structures compared to the bulk counterparts. Herein, we demonstrate an efficient approach to producing single atom copper immobilized MXene for electrocatalytic CO2 reduction to methanol via selective etching of hybrid A layers (Al and Cu) in quaternary MAX phases (Ti3(Al1–xCux)C2) due to the different saturated vapor pressures of Al- and Cu-containing products. After selective etching of Al in the hybrid A layers, Cu atoms are well-preserved and simultaneously immobilized onto the resultant MXene with dominant surface functional group (Clx) on the outmost Ti layers (denoted as Ti3C2Clx) via Cu–O bonds. Consequently, the as-prepared single atom Cu catalyst exhibits a high Faradaic efficiency value of 59.1% to produce CH3OH and shows good electrocatalytic stability. On the basis of synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy analysis and density functional theory calculations, the single atom Cu with unsaturated electronic structure (Cuδ+, 0 < δ < 2) delivers a low energy barrier for the rate-determining step (conversion of HCOOH* to absorbed CHO* intermediate), which is responsible for the efficient electrocatalytic CO2 reduction to CH3OH.