Water splitting is a green strategy for hydrogen generation but greatly hindered by the sluggish anodic oxygen evolution reaction (OER). Herein, ultrathin rhodium-doped nickel iron layered double hydroxide nanosheets are successfully synthesized, which exhibit outstanding hydrogen evolution reaction (HER) and OER performance, and advanced overall water splitting. More impressively, the remarkable mass activity of 960 mA mg1 at 1.55 V (1.7 times larger than NiFe-LDH) for urea electro-oxidation reaction (UOR) shows the great potential to surmount the sluggish OER for overall water splitting. A urine-mediated electrolysis cell is subsequently configured, delivering a current density of 10 mA cm-2 with a potential of 1.35 V, which is 105 mV lower than that of urea-free counterpart. The enhanced catalytic activity and cell performance are attributed to the introduction of Rh into NiFe-LDH matrix by changing the electronic structure, allowing optimization of the adsorbed species, as confirmed by experimental measurements and computational analyses.

Single-atom catalysts (SACs) have emerged as one of the most promising alternatives to noble metal-based catalysts for highly efficient oxygen reduction reaction (ORR). While SACs can offer notable benefits in terms of lowering overall catalyst cost, there is still room for improvement regarding catalyst activity. To this end, we designed and successfully fabricated an ORR electrocatalyst in which atomic clusters are embedded in an atomically dispersed Fe–N–C matrix (FeAC@FeSA–N–C), as shown by comprehensive measurements using aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (AC-STEM) and X-ray absorption spectroscopy (XAS). The half-wave potential of FeAC@FeSA–N–C is 0.912 V (versus reversible hydrogen electrode (RHE)), exceeding that of commercial Pt/C (0.897 V), FeSA–N–C (0.844 V), as well as the half-wave potentials of most reported non-platinum-group metal catalysts. The ORR activity of the designed catalyst stems from single-atom active centers but is markedly enhanced by the presence of Fe nanoclusters, as confirmed by both experimental measurements and theoretical calculations.

An efficient, stable, and cost-effective ORR catalyst composed of core–shell Pt-alloy and non-Pt-group-metal single atoms is reported for PEMFCs.

High-efficient electrocatalysts are crucial for fuel cell applications; however, the whole cell performance is generally restricted by the anodic part because of the sluggish kinetics involved in the oxygen evolution reaction (OER) process. Herein, a hierarchical hollow (Co,Ni)Se2@NiFe layered double hydroxide (LDH) nanocage was synthesized by deriving from the metal-organic framework (MOF) of ZIF-67. Concretely, it involves first fabrication of hollow rhombic (Co,Ni)Se2 nanocages and then deposition of NiFe LDH nanosheets on the surface of nanocages. Notably, the incorporation of Ni into Co-based ZIF-67 (via ion-exchange) could tail the atomic arrangement of the MOF, exposing more additional active sites in the following selenization treatment. The as-synthesized (Co,Ni)Se2@NiFe LDH demonstrates splendid OER performance with a small overpotential of 277 mV (to launch a current density of 10 mA cm-2), a small Tafel slope of 75 mV dec-1, and robust durability (a slight stability decay of 5.1% after 17 h of continuous test), not only surpassing the commercial RuO2 but also being comparable/superior to most reported nonprevious metal-based catalysts. Upon analysis, the outstanding OER performance is attributed to the optimized adsorption/desorption nature of iron and nickel/cobalt toward the oxygenated species and partial delocalization of spin status at the interface via the bridging O2-. This work represents a solid step toward exploration of advanced catalysts with deliberate experimental design and/or atom tailoring.

Fe-N-C single-atom catalysts (SACs) are emerging as a promising class of electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) to replace Pt-based catalysts. However, due to the limited loading of Fe for SACs and the inaccessibility of internal active sites, only a small portion of the sites near the external surface are able to contribute to the ORR activity. Here, this work reports a metal-organic framework-derived Fe-N-C SAC with a hierarchically porous and concave nanoarchitecture prepared through a facile but effective strategy, which exhibits superior electrocatalytic ORR activity with a half-wave potential of 0.926 V (vs RHE) in alkaline media and 0.8 V (vs RHE) in acidic media while maintaining excellent stability. The superior ORR activity of the as-designed catalyst stems from the unique architecture, where the hierarchically porous architecture contains micropores as Fe SAC anchoring sites, meso-/macro-pores as accessible channels, and concave shell for increasing external surface area. The unique architecture has dramatically enhanced the utilization of previously blocked internal active sites, as confirmed by a high turnover frequency of 3.37 s-1 and operando X-ray absorption spectroscopy analysis with a distinct shift of adsorption edge.