The development of robust and efficient trifunctional catalysts for oxygen reduction reaction (ORR), oxygen evolution reaction (OER), and hydrogen reaction (HER) is central to regenerative metal-air batteries and overall water splitting. It is still a big challenge to achieve an efficient integration of three functions in one freestanding electrode. Herein, a facile and upscalable strategy is demonstrated, to construct cobalt nanoparticle-encapsulated 3D conductive films (Co/CNFs), which were induced by in situ solid diffusion from bulk cobalt metal. Under high-temperature, volatile cobalt species from bulk cobalt foil are trapped by the contacted nitrogen-rich carbons, followed by catalytic growth of interconnected carbon tubes, forming the 3D structured film. This resulting film can be directly preformed as self-supporting and binder-free electrode, which simultaneously facilitates the ORR, OER, and HER with excellent activities and superior stability. Furthermore, such "all-in-one" film also exhibits remarkable performance for Zn-air batteries and overall water splitting, demonstrating its feasibility for practical applications.

Developing a facile route to access active and well-defined single atom sites catalysts has been a major area of focus for single atoms catalysts (SACs). Herein, we demonstrate a simple approach to generate atomically dispersed platinum via a thermal emitting method using bulk Pt metal as a precursor, significantly simplifying synthesis routes and minimizing synthesis costs. The ammonia produced by pyrolysis of Dicyandiamide can coordinate with platinum atoms by strong coordination effect. Then, the volatile Pt(NH3) x can be anchored onto the surface of defective graphene. The as-prepared Pt SAs/DG exhibits high activity for the electrochemical hydrogen evolution reaction and selective oxidation of various organosilanes. This viable thermal emitting strategy can also be applied to other single metal atoms, for example, gold and palladium. Our findings provide an enabling and versatile platform for facile accessing SACs toward many industrial important reactions.

Abstract In view of the sluggish kinetics suppressing the oxygen evolution reaction (OER), developing efficient and robust OER catalysts is urgent and essential for developing efficient energy conversion technologies. Herein, hybrid amorphous/crystalline FeCoNi layered double hydroxide (LDH)‐supported single Ru atoms (Ru SAs/AC‐FeCoNi) are developed for enabling a highly efficient electrocatalytic OER. The amorphous outer layer in Ru SAs/AC‐FeCoNi is composed of abundant defect sites and unsaturated coordination sites, which can serve as anchoring sites to stabilize single Ru atoms. The crystalline inner has a highly symmetric rigid structure, thereby strengthening the stability of support for a long‐lasting OER. The synergistic effects endow this hybrid catalyst with extremely low overpotential (205 mV at 10 mA cm −2 ). Density functional theory calculation indicates that single Ru atoms stabilized by hybrid amorphous/crystalline FeCoNi LDH facilitate the formation of Ru–O* (rate‐determining step), thus accelerating the OER process.

Abstract Single-atom metal catalysts have sparked tremendous attention, but direct transformation of cheap and easily obtainable bulk metal oxide into single atoms is still a great challenge. Here we report a facile and versatile gas-transport strategy to synthesize isolated single-atom copper sites (Cu ISAS/NC) catalyst at gram levels. Commercial copper (I) oxide powder is sublimated as mobile vapor at nearly melting temperature (1500 K) and subsequently can be trapped and reduced by the defect-rich nitrogen-doped carbon (NC), forming the isolated copper sites catalyst. Strikingly, this thermally stable Cu ISAS/NC, which is obtained above 1270 K, delivers excellent oxygen reduction performance possessing a recorded half-wave potential of 0.92 V vs RHE among other Cu-based electrocatalysts. By varying metal oxide precursors, we demonstrate the universal synthesis of different metal single atoms anchored on NC materials (M ISAS/NC, where M refers to Mo and Sn). This strategy is readily scalable and the as-prepared sintering-resistant M ISAS/NC catalysts hold great potential in high-temperature applications.

Herein, we report a heterogeneous single iron atom catalyst exhibiting excellent peroxidase, oxidase and catalase enzyme-like activities (defined as single atom enzymes, SAEs), exceeding those of Fe₃O₄ nanozymes by a factor of 40.

Fe–N–C electrocatalysts, as a representative of platinum group metal-free (PGM-free) catalysts, exhibit a comparable oxygen reduction reaction (ORR) activity but insufficient stability to that of commercial Pt/C in proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs), due to the unavoidable Fenton's reactions. Herein, we report a hard-template approach to synthesize the rare-earth single-cerium-atom-doped metal–organic frameworks with a hierarchically macro–meso–microporous structure. Spherical aberration correction electron microscopy confirms the atomic dispersion of Ce sites. Additionally, X-ray absorption spectroscopy (XAS) was employed to further verify the coordination environment of Ce sites, which were stabilized by four-coordinated nitrogen atoms and six-oxygen atoms (Ce–N4/O6). The Ce sites were embedded in a hierarchically macro–meso–microporous N-doped carbon (Ce SAS/HPNC) catalyst, which exhibits a half-wave potential of 0.862 V in ORR and the highest power density of 0.525 W cm–2 under 2.0 bar H2/O2 in the fuel cell test.