福建物構所實現電化學氮氣還原制備LiTFSI及含氮化學品

高效新能源存儲與轉換技術在經濟可持續發展等方面中具有重要作用，是促進節能減排的重要需求。以多種方式高效利用廉價、高豐度的氣態反應物（如N₂等）向高附加值化學品的轉化是重要的手段。然而，由于N₂分子的惰性和產品范圍有限，這一“圣杯反應”面臨挑戰。雙（三氟甲烷磺酰基）亞胺鋰（通常稱為LiTFSI）及其類似物鋰鹽是鋰電池和太陽能電池的關鍵高端電解質。然而，當前LiTFSI的商業化熱化學合成依賴于NH₃中間體的使用，涉及多步催化及純化過程，導致大量碳排放。因此，發展一種溫和條件下直接以N₂為氮源合成LiTFSI的方法尤為重要。

中國科學院福建物質結構研究所研究員王要兵團隊，基于Li-N₂電池提出了級聯電化學合成策略，實現了包括LiTFSI在內的多種含氮化合物的高效電化學合成。具體策略包括：放電時將N₂電催化還原為Li₃N；Li₃N酰化為LiTFSI和副產物LiCl；充電時氧化去除副產物 LiCl 以完成合成循環。該研究通過X射線衍射、低溫透射電鏡結合EDS圖譜實證了電催化N₂還原至Li₃N的過程，通過核磁共振、質譜以及傅里葉變換紅外光譜證實了Li₃N與CF₃SO₂Cl之間通過S-N酰化反應生成LiTFSI的可行性，并基于甲基橙在充電過程中從紅色變為無色的現象，證明了副產物LiCl被氧化為Cl₂。研究表明，在優化條件下，N₂到Li₃N的催化還原效率達53.2%，N₂到LiTFSI的轉化效率為48.9%，電化學合成LiTFSI的能量效率達3.0%。同時，該研究利用流體池器件實現了連續的LiTFSI電化學合成，證明了該策略對于實際生產的重要意義。這一策略通過擴大底物范圍，提供了直接從N₂電化學合成具有不同 N-X 鍵（X = S、C等）和金屬陽離子（Li⁺、Zn²⁺等）類似物的途徑，表明了該策略的可拓展性。

該研究為實際生產含氮化學物質提供了通用的電化學合成方案，為合成具有更高氮原子經濟型的高端電解質提供了一條前景廣闊的途徑，并為需要富氮化學品的各種領域提供了潛在的原料供應支撐。相關研究成果以Cascade electrosynthesis of LiTFSI and N-containing analogues via a looped Li–N₂?battery為題，發表在《自然-催化》（Nature?Catalysis）上。

論文鏈接