Recent graphene research has triggered enormous interest in new two-dimensional ordered crystals constructed by the inclusion of elements other than carbon for bandgap opening. The design of new multifunctional two-dimensional materials with proper bandgap has become an important challenge. Here we report a layered two-dimensional network structure that possesses evenly distributed holes and nitrogen atoms and a C2N stoichiometry in its basal plane. The two-dimensional structure can be efficiently synthesized via a simple wet-chemical reaction and confirmed with various characterization techniques, including scanning tunnelling microscopy. Furthermore, a field-effect transistor device fabricated using the material exhibits an on/off ratio of 10(7), with calculated and experimental bandgaps of approximately 1.70 and 1.96 eV, respectively. In view of the simplicity of the production method and the advantages of the solution processability, the C2N-h2D crystal has potential for use in practical applications.

Significance Two-dimensional (2D) polyaniline (PANI) has been realized for the first time, to our knowledge, by direct solid-state reaction of organic single crystals. The 2D PANI framework consists of six nitrogen atoms that periodically surround a phenyl ring. Pristine 2D PANI (undoped) has electrical conductivity of 0.72 S/cm, which is 10 10 times higher than its linear analog (undoped, 6.28 × 10 −11 S/cm). When it is doped by hydrochloric acid (HCl), its conductivity jumps to almost 1,960 times (1.41 × 10 3 S/cm). Due to its highest conductivity among organic materials, we very strongly believe that this well-defined 2D PANI and its heterogeneity with C and N elements will open up a new research field of layered 2D materials beyond linear PANI and other organic/inorganic 2D materials.

Nitrogen fixation is essential for the synthesis of many important chemicals (e.g., fertilizers, explosives) and basic building blocks for all forms of life (e.g., nucleotides for DNA and RNA, amino acids for proteins). However, direct nitrogen fixation is challenging as nitrogen (N2) does not easily react with other chemicals. By dry ball-milling graphite with N2, we have discovered a simple, but versatile, scalable and eco-friendly, approach to direct fixation of N2 at the edges of graphene nanoplatelets (GnPs). The mechanochemical cracking of graphitic C−C bonds generated active carbon species that react directly with N2 to form five- and six-membered aromatic rings at the broken edges, leading to solution-processable edge-nitrogenated graphene nanoplatelets (NGnPs) with superb catalytic performance in both dye-sensitized solar cells and fuel cells to replace conventional Pt-based catalysts for energy conversion.

Electrocatalysts facilitating oxygen reduction reaction (ORR) are vital components in advanced fuel cells and metal-air batteries. Here we report Ketjenblack incorporated nitrogen-doped carbon sheets derived from gelatin and apply these easily scalable materials as metal-free electrocatalysts for ORR. These carbon nanosheets demonstrate highly comparable catalytic activity for ORR as well as better durability than commercial Vulcan carbon supported Pt catalysts in alkaline media. Physico-chemical characterization and theoretical calculations suggest that proper combination of graphitic and pyridinic nitrogen species with more exposed edge sites effectively facilitates a formation of superoxide, [O2(ad)](-), via one-electron transfer, thus increasing catalytic activities for ORR. Our results demonstrate a novel strategy to expose more nitrogen doped edge sites by irregular stacked small sheets in developing better electrocatalysts for Zn-air batteries. These desirable architectures are embodied by an amphiphlilic gelatin mediated compatible synthetic strategy between hydrophobic carbon and aqueous water.

Strong laser pulses can control superconductivity, inducing nonequilibrium transient pairing by leveraging strong-light matter interaction. Here, we demonstrate theoretically that equilibrium ground-state phonon-mediated superconductive pairing can be affected through the vacuum fluctuating electromagnetic field in a cavity. Using the recently developed ab initio quantum electrodynamical density-functional theory approximation, we specifically investigate the phonon-mediated superconductive behavior of MgB 2 under different cavity setups and find that in the strong light–matter coupling regime its superconducting transition temperature T c can be enhanced at most by ≈ 10% in an in-plane (or out-of-plane) polarized and realistic cavity via photon vacuum fluctuations. The results highlight that strong light–matter coupling in extended systems can profoundly alter material properties in a nonperturbative way by modifying their electronic structure and phononic dispersion at the same time. Our findings indicate a pathway to the experimental realization of light-controlled superconductivity in solid-state materials at equilibrium via cavity materials engineering.