The challenge of chemistry in the 21st century is to achieve 100% selectivity of the desired product molecule in multipath reactions ("green chemistry") and develop renewable energy based processes. Surface chemistry and catalysis play key roles in this enterprise. Development of in situ surface techniques such as high-pressure scanning tunneling microscopy, sum frequency generation (SFG) vibrational spectroscopy, time-resolved Fourier transform infrared methods, and ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy enabled the rapid advancement of three fields: nanocatalysts, biointerfaces, and renewable energy conversion chemistry. In materials nanoscience, synthetic methods have been developed to produce monodisperse metal and oxide nanoparticles (NPs) in the 0.8−10 nm range with controlled shape, oxidation states, and composition; these NPs can be used as selective catalysts since chemical selectivity appears to be dependent on all of these experimental parameters. New spectroscopic and microscopic techniques have been developed that operate under reaction conditions and reveal the dynamic change of molecular structure of catalysts and adsorbed molecules as the reactions proceed with changes in reaction intermediates, catalyst composition, and oxidation states. SFG vibrational spectroscopy detects amino acids, peptides, and proteins adsorbed at hydrophobic and hydrophilic interfaces and monitors the change of surface structure and interactions with coadsorbed water. Exothermic reactions and photons generate hot electrons in metal NPs that may be utilized in chemical energy conversion. The photosplitting of water and carbon dioxide, an important research direction in renewable energy conversion, is discussed.

Selectivity--the production of one molecule out of many other thermodynamically feasible product molecules--is the key concept in developing clean processes that do not produce by-products (green chemistry). Small differences in the potential-energy barriers of single reaction steps control which reaction channel is more likely to yield the desired product molecule (selectivity), while the overall activation energy of the reaction controls the turnover rates (activity). Recent studies have demonstrated that tailoring parameters at the atomic or molecular level--such as the surface structures of active sites--gives turnover rates and reaction selectivities that depend on the nanoparticle size and shape. Here, we highlight seven molecular components that influence the selectivity of heterogeneous catalyst reactions on single-crystal model surfaces and colloid nanoparticles: surface structure, adsorbate-induced restructuring, adsorbate mobility, reaction intermediates, surface composition, charge transport, and oxidation states. We show the importance of the single factors by means of examples and describe in situ analyses that permit their roles in surface reactions to be investigated.

The lubricating properties of graphite and graphene have been intensely studied by sliding a frictional force microscope tip against them to understand the origin of the observed low friction. In contrast, the relative motion of free graphene layers remains poorly understood. Here we report a study of the sliding behavior of graphene nanoflakes (GNFs) on a graphene surface. Using scanning tunneling microscopy, we found that the GNFs show facile translational and rotational motions between commensurate initial and final states at temperatures as low as 5 K. The motion is initiated by a tip-induced transition of the flakes from a commensurate to an incommensurate registry with the underlying graphene layer (the superlubric state), followed by rapid sliding until another commensurate position is reached. Counterintuitively, the average sliding distance of the flakes is larger at 5 K than at 77 K, indicating that thermal fluctuations are likely to trigger their transitions from superlubric back to commensurate ground states.

Carbon monoxide oxidation over ruthenium catalysts has shown an unusual catalytic behavior. Here we report a particle size effect on CO oxidation over Ru nanoparticle (NP) catalysts. Uniform Ru NPs with a tunable particle size from 2 to 6 nm were synthesized by a polyol reduction of Ru(acac)3 precursor in the presence of poly(vinylpyrrolidone) stabilizer. The measurement of catalytic activity of CO oxidation over two-dimensional Ru NPs arrays under oxidizing reaction conditions (40 Torr CO and 100 Torr O2) showed an activity dependence on the Ru NP size. The CO oxidation activity increases with NP size, and the 6 nm Ru NP catalyst shows 8-fold higher activity than the 2 nm catalysts. The results gained from this study will provide the scientific basis for future design of Ru-based oxidation catalysts.

Nanostructured carbon materials doped with a variety of heteroatoms have shown promising electrocatalytic activity in the oxygen reduction reaction (ORR). However, understanding of the working principles that underpin the superior ORR activity observed with doped nanocarbons is still limited to predictions based on theoretical calculations. Herein, we demonstrate, for the first time, that the enhanced ORR activity in doped nanocarbons can be correlated with the variation in their nanoscale work function. A series of doped ordered mesoporous carbons (OMCs) were prepared using N, S, and O as dopants; the triple-doped, N,S,O-OMC displayed superior ORR activity and four-electron selectivity compared to the dual-doped (N,O-OMC and S,O-OMC) and the monodoped (O-OMC) OMCs. Significantly, the work functions of these heteroatom-doped OMCs, measured by Kelvin probe force microscopy, display a strong correlation with the activity and reaction kinetics for the ORR. This unprecedented experimental insight can be used to provide an explanation for the enhanced ORR activity of heteroatom-doped carbon materials.

Graphene produced by exfoliation has not been able to provide an ideal graphene with performance comparable to that predicted by theory, and structural and/or electronic defects have been proposed as one cause of reduced performance. We report the observation of domains on exfoliated monolayer graphene that differ by their friction characteristics, as measured by friction force microscopy. Angle-dependent scanning revealed friction anisotropy with a periodicity of 180° on each friction domain. The friction anisotropy decreased as the applied load increased. We propose that the domains arise from ripple distortions that give rise to anisotropic friction in each domain as a result of the anisotropic puckering of the graphene.

Electrochemical splitting of water is an attractive way to produce hydrogen fuel as a clean and renewable energy source. However, a major challenge is to accelerate the sluggish kinetics of the anodic half‐cell reaction where oxygen evolution reaction (OER) takes place. Here, a seamlessly conductive 3D architecture is reported with a carbon‐shelled Ni‐Co nanowire network as a highly efficient OER electrocatalyst. Highly porous and granular Ni‐Co nanowires are first grown on a carbon fiber woven fabric utilizing a cost‐effective hydrothermal method and then conductive carbon shell is coated on the Ni‐Co nanowires via glucose carbonization and annealing processes. The conductive carbon layer surrounding the nanowires is introduced to provide a continuous pathway for facile electron transport throughout the whole of the integrated 3D catalyst. This 3D hierarchical structure provides several synergistic effects and beneficial functions including a large number of active sites, easy accessibility of water, fast electron transport, rapid release of oxygen gas, enhanced electrochemical durability, and stronger structural integrity, resulting in a remarkable OER activity that delivers an overpotential of 302 mV with a Tafel slope of 43.6 mV dec −1 at a current density of 10 mA cm −2 in an alkaline medium electrolyte (1 m KOH).

A continuous flow of hot electrons that are not at thermal equilibrium with the surrounding metal atoms is generated by the absorption of photons. Here we show that hot electron flow generated on a gold thin film by photon absorption (or internal photoemission) is amplified by localized surface plasmon resonance. This was achieved by direct measurement of photocurrent on a chemically modified gold thin film of metal-semiconductor (TiO(2)) Schottky diodes. The short-circuit photocurrent obtained with low-energy photons is consistent with Fowler's law, confirming the presence of hot electron flows. The morphology of the metal thin film was modified to a connected gold island structure after heating such that it exhibits surface plasmon. Photocurrent and optical measurements on the connected island structures revealed the presence of a localized surface plasmon at 550 ± 20 nm. The results indicate an intrinsic correlation between the hot electron flow generated by internal photoemission and localized surface plasmon resonance.