高效新能源存储与转换技术在国家能源安全和经济可持续发展中发挥着至关重要的作用，同时也是促进节能减排的重要需求。以多种方式高效利用廉价、高丰度的气态反应物 (如N₂等) 向高附加值化学品的转化，是应对国家战略需求的重要手段。然而，由于N₂分子的惰性和产品范围的有限，这一圣杯反应一直面临着挑战。双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂（通常称为LiTFSI）及其类似物锂盐是锂电池和太阳能电池的关键高端电解质。据统计，2019年全球市场对LiTFSI的需求为1.509亿美元，预计到2026年将达到2.94亿美元，增长潜力显著。然而，当前LiTFSI的商业化热化学合成依赖于NH₃中间体的使用，涉及多步催化及纯化过程，导致大量碳排放。因此，发展一种温和条件下直接以N₂为氮源合成LiTFSI的方法变得尤为重要。

针对以上问题，中国科学院福建物质结构研究所王要兵研究员及其团队基于Li-N₂电池提出了一种级联电化学合成策略，实现了包括LiTFSI在内的多种含氮化合物的高效电化学合成。具体策略包括1. 放电时将N₂电催化还原为Li₃N；2. Li₃N酰化为LiTFSI和副产物LiCl；3. 充电时氧化去除副产物 LiCl 以完成合成循环。作者通过X射线衍射，低温透射电镜结合EDS图谱实证了电催化N₂还原至Li₃N的过程，通过核磁共振、质谱、以及傅里叶变换红外光谱证实了Li₃N与CF₃SO₂Cl之间通过S-N酰化反应生成LiTFSI的可行性，并基于甲基橙在充电过程中从红色变为无色的现象，证明副产物LiCl被氧化为Cl₂。研究结果表明，在优化条件下，N₂到Li₃N的催化还原效率达到了53.2%，N₂到LiTFSI的转化效率为48.9%，电化学合成LiTFSI的能量效率达到了3.0%。同时，作者利用流体池器件实现了连续的LiTFSI电化学合成，证明了该策略对于实际生产的重要意义。特别的，这一策略通过扩大底物范围，提供了直接从N₂电化学合成具有不同 N-X 键 (X = S、C等) 和金属阳离子 (Li⁺、Zn²⁺等) 类似物的途径，证明了策略的可拓展性。

图1. Li-N₂电池电化学合成LiTESI的级联反应示意图

该研究不仅为实际生产含氮化学物质提供了通用的电化学合成方案，还为合成具有更高氮原子经济型的高端电解质提供了一条前景广阔的途径，并为需要富氮化学品的各种领域提供了潜在的原料供应支撑。相关结果以“Cascade electrosynthesis of LiTFSI and N-containing analogues via a looped Li–N₂ battery”为标题发表在《自然催化》杂志 (Nat. Catal. 2024, DOI: 10.1038/s41929-023-01067-3)。论文的第一作者为中国科学院福建物构所张祥副研究员，通讯作者为王要兵研究员，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-023-01067-3

（王要兵课题组供稿）