Litiumbis(trifluormetansulfonyl)imid, allmänt känd som LiTFSI, och dess analoger, är kritiska elektrolyter för litiumbatterier och solceller. Kommersialiseringen av LiTFSI genom termisk kemisk syntes är dock beroende av användningen av NH3 mellanprodukter, vilket involverar flera katalytiska processer och reningsprocesser, vilket leder till betydande koldioxidutsläpp. Därför utvecklar en metod för direkt syntes av LiTFSI från N2 under milda förhållanden blir särskilt viktigt.
I en studie publicerad i Nature Catalysis , Prof. Wang Yaobings team från Fujian Institute of Research on the Structure of Matter av den kinesiska vetenskapsakademin föreslog en kaskadelektrokemisk syntesstrategi baserad på Li–N2 batterier och uppnådde effektiv elektrokemisk syntes av olika kvävehaltiga föreningar, inklusive LiTFSI.
Den specifika strategin inkluderar katalytisk minskning av N2 till Li3 N under urladdning, acylerande Li3 N för att bilda LiTFSI och biprodukten LiCl, och oxidera LiCl under laddning för att slutföra syntescykeln.
Forskarna visade den elektrokatalytiska reduktionen av N2 till Li3 N genom tekniker som röntgendiffraktion och lågtemperaturtransmissionselektronmikroskopi, och bekräftade genomförbarheten av S–N-acyleringsreaktionen mellan Li3 N och CF3 SO2 Cl genom kärnmagnetisk resonans, masspektrometri och Fourier-transform infraröd spektroskopi. Baserat på färgförändringen av metylorange från rött till färglöst under laddningsprocessen, visade de att biprodukten LiCl oxiderades till Cl2 .
De experimentella resultaten indikerade att, under optimerade förhållanden, den katalytiska reduktionseffektiviteten från N2 till Li3 N nådde 53,2 %, konverteringseffektiviteten från N2 till LiTFSI var 48,9 %, och energieffektiviteten för elektrokemisk syntes av LiTFSI nådde 3,0 %.
Dessutom använde forskarna en flödescellanordning för att uppnå kontinuerlig elektrokemisk syntes av LiTFSI, vilket visar den praktiska betydelsen av denna strategi i produktionen. Genom att utvidga substratomfånget gav de en väg för direkt elektrokemisk syntes av analoger med olika N–X-bindningar (X =S, C, etc.) och metallkatjoner (Li + , Zn 2+ , etc.), vilket bevisar strategins skalbarhet.
Den här studien presenterar ett omfattande elektrokemiskt syntesschema för praktisk produktion av kväveinnehållande kemikalier, som erbjuder ett lovande tillvägagångssätt för att syntetisera avancerade elektrolyter med förbättrad kväveatomeffektivitet.
Mer information: Xiang Zhang et al, Kaskadelektrosyntes av LiTFSI och N-innehållande analoger via ett loopat Li–N2-batteri, Naturkatalys (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01067-3
Journalinformation: Naturkatalys
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
