高效新能源存儲與轉(zhuǎn)換技術(shù)在經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等方面中具有重要作用，是促進節(jié)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(tài)反應(yīng)物（如N₂等）向高附加值化學(xué)品的轉(zhuǎn)化是重要的手段。然而，由于N₂分子的惰性和產(chǎn)品范圍有限，這一“圣杯反應(yīng)”面臨挑戰(zhàn)。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(guān)鍵高端電解質(zhì)。然而，當前LiTFSI的商業(yè)化熱化學(xué)合成依賴于NH₃中間體的使用，涉及多步催化及純化過程，導(dǎo)致大量碳排放。因此，發(fā)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(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員王要兵團隊，基于Li-N₂電池提出了級聯(lián)電化學(xué)合成策略，實現(xiàn)了包括LiTFSI在內(nèi)的多種含氮化合物的高效電化學(xué)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(chǎn)物L(fēng)iCl；充電時氧化去除副產(chǎn)物 LiCl 以完成合成循環(huán)。該研究通過X射線衍射、低溫透射電鏡結(jié)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(zhì)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(yīng)生成LiTFSI的可行性，并基于甲基橙在充電過程中從紅色變?yōu)闊o色的現(xiàn)象，證明了副產(chǎn)物L(fēng)iCl被氧化為Cl₂。研究表明，在優(yōu)化條件下，N₂到Li₃N的催化還原效率達53.2%，N₂到LiTFSI的轉(zhuǎn)化效率為48.9%，電化學(xué)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(xiàn)了連續(xù)的LiTFSI電化學(xué)合成，證明了該策略對于實際生產(chǎn)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(xué)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(chǎn)含氮化學(xué)物質(zhì)提供了通用的電化學(xué)合成方案，為合成具有更高氮原子經(jīng)濟型的高端電解質(zhì)提供了一條前景廣闊的途徑，并為需要富氮化學(xué)品的各種領(lǐng)域提供了潛在的原料供應(yīng)支撐。相關(guān)研究成果以Cascade electrosynthesis of LiTFSI and N-containing analogues via a looped Li–N₂?battery為題，發(fā)表在《自然-催化》（Nature?Catalysis）上。

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Li-N₂電池電化學(xué)合成LiTESI的級聯(lián)反應(yīng)示意圖