La bis(trifluorometanosulfonil)imida de litio, comúnmente conocida como LiTFSI, y sus análogos, son electrolitos críticos para baterías de litio y células solares. Sin embargo, la comercialización de LiTFSI mediante síntesis química térmica se basa en el uso de NH3 intermedios, lo que implica múltiples procesos catalíticos y de purificación, lo que genera importantes emisiones de carbono. Por lo tanto, desarrollar un método para la síntesis directa de LiTFSI a partir de N2 en condiciones suaves se vuelve particularmente importante.
En un estudio publicado en Nature Catalysis , el equipo del Prof. Wang Yaobing del Instituto Fujian de Investigación sobre la Estructura de la Materia de la Academia de Ciencias de China propuso una estrategia de síntesis electroquímica en cascada basada en Li–N2 baterías y logró una síntesis electroquímica eficiente de varios compuestos que contienen nitrógeno, incluido LiTFSI.
La estrategia específica incluye reducir catalíticamente el N2 a Li3 N durante la descarga, acilando Li3 N para formar LiTFSI y el subproducto LiCl, y oxidar LiCl durante la carga para completar el ciclo sintético.
Los investigadores demostraron la reducción electrocatalítica de N2 a Li3 N a través de técnicas como la difracción de rayos X y la microscopía electrónica de transmisión a baja temperatura, y confirmó la viabilidad de la reacción de acilación S-N entre Li3 N y CF3 Entonces2 Cl mediante resonancia magnética nuclear, espectrometría de masas y espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier. Basándose en el cambio de color del naranja de metilo de rojo a incoloro durante el proceso de carga, demostraron que el subproducto LiCl se oxidaba a Cl2 .
Los resultados experimentales indicaron que, en condiciones optimizadas, la eficiencia de reducción catalítica del N2 a Li3 N alcanzó el 53,2%, la eficiencia de conversión de N2 a LiTFSI fue del 48,9% y la eficiencia energética de la síntesis electroquímica de LiTFSI alcanzó el 3,0%.
Además, los investigadores utilizaron un dispositivo de celda de flujo para lograr una síntesis electroquímica continua de LiTFSI, lo que demuestra la importancia práctica de esta estrategia en la producción. Al ampliar el alcance del sustrato, proporcionaron una vía para la síntesis electroquímica directa de análogos con diferentes enlaces N-X (X =S, C, etc.) y cationes metálicos (Li + , Zn 2+ , etc.), demostrando la escalabilidad de la estrategia.
Este estudio presenta un esquema integral de síntesis electroquímica para la producción práctica de productos químicos que contienen nitrógeno, que ofrece un enfoque prometedor para sintetizar electrolitos de alta gama con una mayor eficiencia del átomo de nitrógeno.
Más información: Xiang Zhang et al, Electrosíntesis en cascada de LiTFSI y análogos que contienen N mediante una batería de Li-N2 en bucle, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01067-3
Información de la revista: Catálisis de la naturaleza
Proporcionado por la Academia China de Ciencias
