Current attempts in materials science to increase the selectivity of CO₂ physisorption from diluted sources are critically reviewed.

Desalination by capacitive deionization (CDI) is an emerging technology for the energy- and cost-efficient removal of ions from water by electrosorption in charged porous carbon electrodes. A variety of carbon materials, including activated carbons, templated carbons, carbon aerogels, and carbon nanotubes, have been studied as electrode materials for CDI. Using carbide-derived carbons (CDCs) with precisely tailored pore size distributions (PSD) of micro- and mesopores, we studied experimentally and theoretically the effect of pore architecture on salt electrosorption capacity and salt removal rate. Of the reported CDC-materials, ordered mesoporous silicon carbide-derived carbon (OM SiC-CDC), with a bimodal distribution of pore sizes at 1 and 4 nm, shows the highest salt electrosorption capacity per unit mass, namely 15.0 mg of NaCl per 1 g of porous carbon in both electrodes at a cell voltage of 1.2 V (12.8 mg per 1 g of total electrode mass). We present a method to quantify the influence of each pore size increment on desalination performance in CDI by correlating the PSD with desalination performance. We obtain a high correlation when assuming the ion adsorption capacity to increase sharply for pore sizes below one nanometer, in line with previous observations for CDI and for electrical double layer capacitors, but in contrast to the commonly held view about CDI that mesopores are required to avoid electrical double layer overlap. To quantify the dynamics of CDI, we develop a two-dimensional porous electrode modified Donnan model. For two of the tested materials, both containing a fair degree of mesopores (while the total electrode porosity is ∼95 vol%), the model describes data for the accumulation rate of charge (current) and salt accumulation very well, and also accurately reproduces the effect of an increase in electrode thickness. However, for TiC-CDC with hardly any mesopores, and with a lower total porosity, the current is underestimated. Calculation results show that a material with higher electrode porosity is not necessarily responding faster, as more porosity also implies longer transport pathways across the electrode. Our work highlights that a direct prediction of CDI performance both for equilibrium and dynamics can be achieved based on the PSD and knowledge of the geometrical structure of the electrodes.

Hierarchical porous carbon (HPC, DUT‐106) with tailored pore structure is synthesized using a versatile approach based on ZnO nanoparticles avoiding limitations present in conventional silica hard templating approaches. The benefit of the process presented here is the removal of all pore building components by pyrolysis of the ZnO/carbon composite without any need for either toxic/reactive gases or purification of the as‐prepared hierarchical porous carbon. The carbothermal reduction process is accompanied by an advantageous growing of distinctive micropores within the thin carbon walls. The resulting materials show not only high internal porosity (total pore volume up to 3.9 cm 3 g −1 ) but also a large number of electrochemical reaction sites due to their remarkably high specific surface area (up to 3060 m 2 g −1 ), which renders them particularly suitable for the application as sulfur host material. Applied in the lithium‐sulfur battery, the HPC/sulfur composite exhibits a capacity of >1200 mAh g −1 ‐sulfur (>750 mAh g −1 electrode) at a high sulfur loading of ≥ 3 mg cm −2 as well as outstanding rate capability. In fact, this impressive performance is achieved even using a low amount of electrolyte (6.8 μl mg −1 sulfur ) allowing for further weight reduction and maintenance of high energy density on cell level.

Within the different available electrochemical energy storage systems, supercapacitors stand out due to their high power densities and ultra-long cycle life. Their key-components are the electrode materials where the charge accumulation takes place and therefore many different approaches for the synthesis of carbonaceous electrode structures with well-defined pore systems are available. This review focuses on different strategies for tailoring porous carbon materials from the micropore level, over mesopores to macropores and even external or inter-particular porosity. A wide range of materials such as activated carbons, templated carbons, carbide-derived carbons, carbon nanotubes, carbon aerogels, carbon onions, graphenes and carbon nanofibers are presented, always in relation to their pore structure and potential use in supercapacitor devices.

Novel nanostructured sulfur (S)–carbide derived carbon (CDC) composites with ordered mesopores and high S content are successfully prepared for lithium sulfur batteries. The tunable pore-size distribution and high pore volume of CDC allow for an excellent electrochemical performance of the composites at high current densities. A higher electrolyte molarity is found to enhance the capacity utilization dramatically and reduce S dissolution in S-CDC composite cathodes during cycling. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Abstract Ordered mesoporous carbide‐derived carbon (OM‐CDC) materials produced by nanocasting of ordered mesoporous silica templates are characterized by a bimodal pore size distribution with a high ratio of micropores. The micropores result in outstanding adsorption capacities and the well‐defined mesopores facilitate enhanced kinetics in adsorption processes. Here, for the first time, a systematic study is presented, in which the effects of synthesis temperature on the electrochemical performance of these materials in supercapacitors based on a 1 M aqueous solution of sulfuric acid and 1‐ethyl‐3‐methylimidazolium tetrafluoroborate ionic liquid are reported. Cyclic voltammetry shows the specific capacitance of the OM‐CDC materials exceeds 200 F g −1 in the aqueous electrolyte and 185 F g −1 in the ionic liquid, when measured in a symmetric configuration in voltage ranges of up to 0.6 and 2 V, respectively. The ordered mesoporous channels in the produced OM‐CDC materials serve as ion‐highways and allow for very fast ionic transport into the bulk of the OM‐CDC particles. At room temperature the enhanced ion transport leads to 75% and 90% of the capacitance retention at current densities in excess of ∼10 A g −1 in ionic liquid and aqueous electrolytes, respectively. The supercapacitors based on 250–300 μm OM‐CDC electrodes demonstrate an operating frequency of up to 7 Hz in aqueous electrolyte. The combination of high specific capacitance and outstanding rate capabilities of the OM‐CDC materials is unmatched by state‐of‐the art activated carbons and strictly microporous CDC materials.

Abstract Covalent organic frameworks (COFs) have emerged as an important class of organic semiconductors and photocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER)from water. To optimize their photocatalytic activity, typically the organic moieties constituting the frameworks are considered and the most suitable combinations of them are searched for. However, the effect of the covalent linkage between these moieties on the photocatalytic performance has rarely been studied. Herein, we demonstrate that donor‐acceptor (D‐A) type imine‐linked COFs can produce hydrogen with a rate as high as 20.7 mmol g −1 h −1 under visible light irradiation, upon protonation of their imine linkages. A significant red‐shift in light absorbance, largely improved charge separation efficiency, and an increase in hydrophilicity triggered by protonation of the Schiff‐base moieties in the imine‐linked COFs, are responsible for the improved photocatalytic performance.

Abstract Electrocatalytic reduction of nitrogen (N 2 ) at ambient conditions is an alternative strategy to produce ammonia (NH 3 ) to complement the commonly applied Haber–Bosch process. However, the achievement of high Faradaic efficiencies and high NH 3 yield is still challenging. Here, Au single sites stabilized on N‐doped porous and highly oxidizing (“noble”) carbon catalysts showing excellent performance in N 2 electroreduction are reported. At a potential of −0.2 V versus reversible hydrogen electrode, a stable NH 3 yield of 2.32 µg h −1 cm −2 is produced at a Faradaic efficiency of 12.3%. Besides, there is no notable fluctuation of Faradaic efficiency and NH 3 yield in six‐cycle test, which indicates good stability. This work opens up new insights to improve N 2 fixation performance by introducing catalytically active single sites into noble carbon materials for N 2 electroreduction.

Development of sulfur cathodes with 100% coulombic efficiency (CE) and good cycle stability remains challenging due to the polysulfide dissolution in electrolytes. Here, it is demonstrated that electrochemical reduction of lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) based electrolytes at a potential close to the sulfur cathode operation forms in situ protective coating on both cathode and anode surfaces. Quantum chemistry studies suggest the coating formation is initiated by the FSI(‐F) anion radicals generated during electrolyte reduction. Such a reduction additionally results in the formation of LiF. Accelerated cycle stability tests at 60 °C in a very simple electrolyte (LiFSI in dimethoxyethane with no additives) show an average CE approaching 100.0% over 1000 cycles with a capacity decay less than 0.013% per cycle after stabilization. Such a remarkable performance suggests a great promise of both an in situ formation of protective solid electrolyte coatings to avoid unwanted side reactions and the use of a LiFSI salt for this purpose.

A series of porous carbons (PCs) with adjustable high surface areas and narrow micropore size distributions have been prepared by KOH activation of fungi-based carbon sources. The resulting PCs demonstrate both high CO2 uptake (5.5 mmol g−1) and high CO2/N2 selectivity (27.3) at 273 K and 1 bar, implying their great potential as CO2 capture sorbents.