Developing highly efficient, low-cost oxygen reduction catalysts, especially in acidic medium, is of significance toward fuel cell commercialization. Although pyrolyzed Fe-N-C catalysts have been regarded as alternatives to platinum-based catalytic materials, further improvement requires precise control of the Fe-Nx structure at the molecular level and a comprehensive understanding of catalytic site structure and the ORR mechanism on these materials. In this report, we present a microporous metal–organic-framework-confined strategy toward the preferable formation of single-atom dispersed catalysts. The onset potential for Fe-N-C is 0.92 V, comparable to that of Pt/C and outperforming most noble-metal-free catalysts ever reported. A high-spin Fe3+-N4 configuration is revealed by the 57Fe Mössbauer spectrum and X-ray absorption spectroscopy for Fe L-edge, which will convert to Fe2+-N4 at low potential. The in situ reduced Fe2+-N4 moiety from high-spin Ox-Fe3+-N4 contributes to most of the ORR activity due to its high turnover frequency (TOF) of ca. 1.71 e s–1 sites–1.

The cathodic oxygen reduction reaction (ORR) is essential in the electrochemical energy conversion of fuel cells. Here, through the NH3 atmosphere annealing of a graphene oxide (GO) precursor containing trace amounts of Ru, we have synthesized atomically dispersed Ru on nitrogen-doped graphene that performs as an electrocatalyst for the ORR in acidic medium. The Ru/nitrogen-doped GO catalyst exhibits excellent four-electron ORR activity, offering onset and half-wave potentials of 0.89 and 0.75 V, respectively, vs a reversible hydrogen electrode (RHE) in 0.1 M HClO4, together with better durability and tolerance toward methanol and carbon monoxide poisoning than seen in commercial Pt/C catalysts. X-ray adsorption fine structure analysis and aberration-corrected high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy are performed and indicate that the chemical structure of Ru is predominantly composed of isolated Ru atoms coordinated with nitrogen atoms on the graphene substrate. Furthermore, a density function theory study of the ORR mechanism suggests that a Ru-oxo-N4 structure appears to be responsible for the ORR catalytic activity in the acidic medium. These findings provide a route for the design of efficient ORR single-atom catalysts.

Herein, a novel binuclear active site structure, Co2NxCy, is intentionally designed and successfully fabricated to efficiently catalyze the oxygen reduction reaction (ORR), which is achieved by precisely controlling the atomic scale structure of bimetal-organic frameworks before pyrolysis. Through discovering a two-atom site with Co-Co distance at 2.1–2.2 Å from aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (STEM), as well as a novel shortened Co-Co path (2.12 Å) from the X-ray absorption spectroscopy, we for the first time identified the binuclear Co2NX site in the pyrolyzed catalyst. Combined with density functional theory (DFT) calculation, the structure is further confirmed as Co2N5. Excitingly, the Co2N5 site performs approximately 12 times higher activity than the conventional CoN4 site and the corresponding catalyst shows unprecedented catalytic activity in acidic electrolyte with half-wave potential of 0.79 V, approaching the commercial Pt/C catalyst and presenting the best one among the Co-N-C catalysts. Theoretical density functional theory calculations reveal that the novel binuclear site exhibits considerably reduced thermodynamic barrier towards ORR, thus contributing to the much higher intrinsic activity. Our finding opens up a new path to design efficient M-Nx/C catalysts, thus pushing the fuel cell industry field one step ahead.

Various well-defined Ni−Pt(111) model catalysts are constructed at atomic-level precision under ultra-high-vacuum conditions and characterized by X-ray photoelectron spectroscopy and scanning tunneling microscopy. Subsequent studies of CO oxidation over the surfaces show that a sandwich surface (NiO1−x/Pt/Ni/Pt(111)) consisting of both surface Ni oxide nanoislands and subsurface Ni atoms at a Pt(111) surface presents the highest reactivity. A similar sandwich structure has been obtained in supported Pt−Ni nanoparticles via activation in H2 at an intermediate temperature and established by techniques including acid leaching, inductively coupled plasma, and X-ray adsorption near-edge structure. Among the supported Pt−Ni catalysts studied, the sandwich bimetallic catalysts demonstrate the highest activity to CO oxidation, where 100% CO conversion occurs near room temperature. Both surface science studies of model catalysts and catalytic reaction experiments on supported catalysts illustrate the synergetic effect of the surface and subsurface Ni species on the CO oxidation, in which the surface Ni oxide nanoislands activate O2, producing atomic O species, while the subsurface Ni atoms further enhance the elementary reaction of CO oxidation with O.

An ultrasound-assisted, precipitation-deposition method has been developed to synthesise visible-light-responsive BiOBr-ZnFe(2)O(4) heterojunction photocatalysts. The heterojunctions with suitable BiOBr/ZnFe(2)O(4) ratios have a fascinating micro-spherical morphology and exhibit exceptional photocatalytic activity in visible-light degradation of Rhodamine B.

Abstract The development of high‐voltage LiCoO 2 is essential for achieving lithium‐ion batteries with high volumetric energy density, however, it faces a great deal of challenges owing to the materials, structure and interfacial instability issues. In this work, a strategy is developed, through heat annealing a precoated surface layer to in situ form a high‐voltage‐stable surface coating layer, which is demonstrated to be highly effective to improve the high‐voltage performance of LiCoO 2 . It is discovered that LiCoO 2 reacts with Li 1.5 Al 0.5 Ti 1.5 (PO 4 ) 3 (LATP) at 700 °C to form exclusively spinel phases in addition to Li 3 PO 4 , which are structurally coherent to the layered lattice of LiCoO 2 . The heat annealing of the precoated thin layer of LATP enables the formation of a high‐quality surface layer. Spinel phases possess high‐voltage‐stable structures with much weaker oxidizing ability of lattice oxygen than layered structure. In addition, the Li 3 PO 4 is a good lithium‐ion conductor with excellent chemical stability at high voltages. All these benefits contribute to the construction of a uniform and conformal high‐voltage‐stable surface layer with favorable lithium conducting kinetics at the LiCoO 2 surface. The modified LiCoO 2 shows excellent 4.6 V high‐voltage cycle performance at both room temperature and 45 °C. The thermal stability is greatly enhanced as well.

We present a simple and feasible strategy to synthesize the novel anatase TiO2/graphene composites with exposed TiO2 {001} high-energy facets by the hydrofluoric acid and methanol joint assisted solvothermal reactions. During the synthesis process, graphene was uniformly covered with a large number of anatase TiO2 nanoparticles (20–25 nm), exposing the {001} facets. The X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray absorption measurements show the presence of electron transfer between TiO2 and graphene. Furthermore, transient photovoltage spectra of the composite also exhibits prolonged mean lifetime of electron–hole pairs compared with pure TiO2. The electron transfer between Ti and C will greatly retard the recombination of photoinduced charge carriers and prolong electron lifetime, which contribute to the enhancement of photocatalytic performance. During the photocatalysis measurement, the TiO2/graphene composites have high photocatalytic activity compared with the P25 under UV light, likely due to the effective separation of photoinduced charge and exposure of high reactive {001} facets.

Developing low-cost and efficient electrocatalysts to accelerate oxygen evolution reaction (OER) kinetics is vital for water and carbon-dioxide electrolyzers. The fastest-known water oxidation catalyst, Ni(Fe)OxHy, usually produced through an electrochemical reconstruction of precatalysts under alkaline condition, has received substantial attention. However, the reconstruction in the reported catalysts usually leads to a limited active layer and poorly controlled Fe-activated sites. Here, we demonstrate a new electrochemistry-driven F-enabled surface-reconstruction strategy for converting the ultrathin NiFeOxFy nanosheets into an Fe-enriched Ni(Fe)OxHy phase. The activated electrocatalyst shows a low OER overpotential of 218 ± 5 mV at 10 mA cm–2 and a low Tafel slope of 31 ± 4 mV dec–1, which is among the best for NiFe-based OER electrocatalysts. Such superior performance is caused by the effective formation of the Fe-enriched Ni(Fe)OxHy active-phase that is identified by operando Raman spectroscopy and the substantially improved surface wettability and gas-bubble-releasing behavior.

Strong metal-support interaction (SMSI) has been regarded as one of the most important concepts in heterogeneous catalysis, which has been almost exclusively discussed in metal/oxide catalysts. Here, we show that gold/molybdenum carbide (Au/MoC x) catalysts feature highly dispersed Au overlayers, strong interfacial charge transfer between metal and support, and excellent activity in the low-temperature water-gas shift reaction (LT-WGSR), demonstrating the active SMSI state. Subsequent oxidation treatment results in strong aggregation of Au nanoparticles, weak interfacial electronic interaction, and poor LT-WGSR activity. The two interface states can be transformed into each other by alternative carbonization and oxidation treatments. This work reveals the active SMSI effect in metal/carbide catalysts induced by carbonization, which opens a new territory for this important concept.