We constructed highly oriented and ordered macropores within metal-organic framework (MOF) single crystals, opening up the area of three-dimensional-ordered macro-microporous materials (that is, materials containing both macro- and micropores) in single-crystalline form. Our methodology relies on the strong shaping effects of a polystyrene nanosphere monolith template and a double-solvent-induced heterogeneous nucleation approach. This process synergistically enabled the in situ growth of MOFs within ordered voids, rendering a single crystal with oriented and ordered macro-microporous structure. The improved mass diffusion properties of such hierarchical frameworks, together with their robust single-crystalline nature, endow them with superior catalytic activity and recyclability for bulky-molecule reactions, as compared with conventional, polycrystalline hollow, and disordered macroporous ZIF-8.

The synthesis of crystalline molecular sieves with pore dimensions that fill the gap between microporous and mesoporous materials is a matter of fundamental and industrial interest. The preparation of zeolitic materials with extralarge pores and chiral frameworks would permit many new applications. Two important steps in this direction include the synthesis of ITQ-33, a stable zeolite with 18 x 10 x 10 ring windows, and the synthesis of SU-32, which has an intrinsically chiral zeolite structure and where each crystal exhibits only one handedness. Here we present a germanosilicate zeolite (ITQ-37) with extralarge 30-ring windows. Its structure was determined by combining selected area electron diffraction (SAED) and powder X-ray diffraction (PXRD) in a charge-flipping algorithm. The framework follows the SrSi(2) (srs) minimal net and forms two unique cavities, each of which is connected to three other cavities to form a gyroidal channel system. These cavities comprise the enantiomorphous srs net of the framework. ITQ-37 is the first chiral zeolite with one single gyroidal channel. It has the lowest framework density (10.3 T atoms per 1,000 A(3)) of all existing 4-coordinated crystalline oxide frameworks, and the pore volume of the corresponding silica polymorph would be 0.38 cm(3) g(-1).

Defect engineering of metal–organic frameworks (MOFs) offers promising opportunities for tailoring their properties to specific functions and applications. However, determining the structures of defects in MOFs—either point defects or extended ones—has proved challenging owing to the difficulty of directly probing local structures in these typically fragile crystals. Here we report the real-space observation, with sub-unit-cell resolution, of structural defects in the catalytic MOF UiO-66 using a combination of low-dose transmission electron microscopy and electron crystallography. Ordered ‘missing linker’ and ‘missing cluster’ defects were found to coexist. The missing-linker defects, reconstructed three-dimensionally with high precision, were attributed to terminating formate groups. The crystallization of the MOF was found to undergo an Ostwald ripening process, during which the defects also evolve: on prolonged crystallization, only the missing-linker defects remained. These observations were rationalized through density functional theory calculations. Finally, the missing-cluster defects were shown to be more catalytically active than their missing-linker counterparts for the isomerization of glucose to fructose. Structural defects are known to exist in metal–organic frameworks (MOFs), and to affect the materials’ properties, but their exact structures have remained difficult to determine. Now, missing-linker and missing-cluster defects have been observed in a MOF using low-dose transmission electron microscopy, enabling their distributions, evolutions during crystallization and effects on the material’s catalytic activity to be explored.

Crystallography of sensitive materials High-resolution transmission electron microscopy is an invaluable tool for looking at the crystalline structures of many materials. However, the need for high beam doses, especially as a sample is rotated to find the crystal axes, can lead to damage, particularly in fragile materials. Zhang et al. combined a state-of-the-art direct-detection electron-counting camera with ways to limit the overall electron dose to analyze delicate materials such as metal organic frameworks. With this approach, they could see the benzene rings in a UiO-66 linker and the coexistence of ligand-free (metal-exposing) and ligand-capped surfaces in UiO-66 crystals. Science , this issue p. 675

A series of porous aromatic frameworks (PAFs) were synthesized via a Yamamoto-type Ullmann reaction containing quadricovalent Si (PAF-3) and Ge (PAF-4). These PAFs are thermally stable up to 465 °C for PAF-3 and 443 °C for PAF-4, corresponding to a 5% weight loss according to the TG pattern. As PAF-1, they exhibit high surface areas (up to 2932 m2 g−1) and excellent adsorption ability to hydrogen, methane and carbon dioxide. Low pressure gas uptake experiments on PAFs show PAF-3 has the highest heat of adsorption (Qst) of hydrogen (6.6 kJ mol−1) and carbon dioxide (19.2 kJ mol−1), while PAF-4 has the highest Qst for methane adsorption (23.2 kJ mol−1) among PAFs. Gas molecule recognition at 273 K was performed and results show only greenhouse gases such as carbon dioxide and methane could be adsorbed onto PAFs.

A titanium carbide (Ti3 C2 Tx ) MXene is employed as an efficient solid support to host a nitrogen (N) and sulfur (S) coordinated ruthenium single atom (RuSA ) catalyst, which displays superior activity toward the hydrogen evolution reaction (HER). X-ray absorption fine structure spectroscopy and aberration corrected scanning transmission electron microscopy reveal the atomic dispersion of Ru on the Ti3 C2 Tx MXene support and the successful coordination of RuSA with the N and S species on the Ti3 C2 Tx MXene. The resultant RuSA -N-S-Ti3 C2 Tx catalyst exhibits a low overpotential of 76 mV to achieve the current density of 10 mA cm-2 . Furthermore, it is shown that integrating the RuSA -N-S-Ti3 C2 Tx catalyst on n+ np+ -Si photocathode enables photoelectrochemical hydrogen production with exceptionally high photocurrent density of 37.6 mA cm-2 that is higher than the reported precious Pt and other noble metals catalysts coupled to Si photocathodes. Density functional theory calculations suggest that RuSA coordinated with N and S sites on the Ti3 C2 Tx MXene support is the origin of this enhanced HER activity. This work would extend the possibility of using the MXene family as a solid support for the rational design of various single atom catalysts.

Abstract Copper (Cu) nanomaterials are a unique kind of electrocatalysts for high‐value multi‐carbon production in carbon dioxide reduction reaction (CO 2 RR), which holds enormous potential in attaining carbon neutrality. However, phase engineering of Cu nanomaterials remains challenging, especially for the construction of unconventional phase Cu‐based asymmetric heteronanostructures. Here the site‐selective growth of Cu on unusual phase gold (Au) nanorods, obtaining three kinds of heterophase fcc‐2H‐fcc Au–Cu heteronanostructures is reported. Significantly, the resultant fcc‐2H‐fcc Au–Cu Janus nanostructures (JNSs) break the symmetric growth mode of Cu on Au. In electrocatalytic CO 2 RR, the fcc‐2H‐fcc Au–Cu JNSs exhibit excellent performance in both H‐type and flow cells, with Faradaic efficiencies of 55.5% and 84.3% for ethylene and multi‐carbon products, respectively. In situ characterizations and theoretical calculations reveal the co‐exposure of 2H‐Au and 2H‐Cu domains in Au–Cu JNSs diversifies the CO* adsorption configurations and promotes the CO* spillover and subsequent C–C coupling toward ethylene generation with reduced energy barriers.