Forskere opnår elektrosyntese af LiTFSI og N-holdige analoger via loopet Li-N₂ batteri

Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid, almindeligvis kendt som LiTFSI, og dets analoger, er kritiske elektrolytter til lithiumbatterier og solceller. Kommercialiseringen af ​​LiTFSI gennem termisk kemisk syntese afhænger imidlertid af brugen af ​​NH₃ mellemprodukter, som involverer flere katalytiske processer og rensningsprocesser, hvilket fører til betydelige kulstofemissioner. Derfor udvikler en metode til direkte syntese af LiTFSI fra N₂ under milde forhold bliver særligt vigtigt.

I en undersøgelse offentliggjort i Nature Catalysis , Prof. Wang Yaobings team fra Fujian Institute of Research on the Structure of Matter af det kinesiske videnskabsakademi foreslog en kaskade elektrokemisk syntesestrategi baseret på Li–N₂ batterier og opnåede effektiv elektrokemisk syntese af forskellige nitrogenholdige forbindelser, herunder LiTFSI.

Den specifikke strategi omfatter katalytisk reduktion af N₂ til Li₃ N under udledning, acylerende Li₃ N for at danne LiTFSI og biproduktet LiCl og oxidere LiCl under opladning for at fuldende den syntetiske cyklus.

Forskerne demonstrerede den elektrokatalytiske reduktion af N₂ til Li₃ N gennem teknikker såsom røntgendiffraktion og lavtemperatur transmissionselektronmikroskopi, og bekræftede gennemførligheden af ​​S-N acyleringsreaktionen mellem Li₃ N og CF₃ SO₂ Cl gennem kernemagnetisk resonans, massespektrometri og Fourier-transformation infrarød spektroskopi. Baseret på farveændringen af ​​methylorange fra rød til farveløs under opladningsprocessen, beviste de, at biproduktet LiCl var oxideret til Cl₂ .

De eksperimentelle resultater viste, at den katalytiske reduktionseffektivitet fra N₂ under optimerede forhold til Li₃ N nåede 53,2 %, konverteringseffektiviteten fra N₂ til LiTFSI var 48,9 %, og energieffektiviteten ved elektrokemisk syntese af LiTFSI nåede 3,0 %.

Derudover brugte forskerne en flowcelleanordning til at opnå kontinuerlig elektrokemisk syntese af LiTFSI, hvilket viser den praktiske betydning af denne strategi i produktionen. Ved at udvide substratomfanget gav de en vej til den direkte elektrokemiske syntese af analoger med forskellige N-X-bindinger (X =S, C osv.) og metalkationer (Li ⁺ , Zn ²⁺ osv.), hvilket beviser strategiens skalerbarhed.

Denne undersøgelse præsenterer et omfattende elektrokemisk synteseskema til praktisk produktion af nitrogenholdige kemikalier, som tilbyder en lovende tilgang til syntetisering af avancerede elektrolytter med forbedret nitrogenatomeffektivitet.

Flere oplysninger: Xiang Zhang et al., Kaskadeelektrosyntese af LiTFSI og N-holdige analoger via et loopet Li-N2 batteri, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01067-3

Journaloplysninger: Naturkatalyse

Leveret af Chinese Academy of Sciences