盖世汽车讯 据外媒报道，俄勒冈大学（University of Oregon）的化学家们正在探索一种更环保的方法来生产用于钢铁生产的铁金属，朝着清洁钢铁行业迈出了一步，而钢铁行业是全球最大的碳排放来源之一。相关研究发表在期刊《ACS Energy Letters》上。

图片来源： 俄勒冈大学

去年，俄勒冈大学的化学家Paul Kempler及其团队报道了一种利用电化学方法生产铁的方法，通过一系列化学反应将盐水和氧化铁转化为纯铁金属。

在最新的研究中，研究人员优化了该工艺的起始原料，确定了哪些类型的氧化铁能够使化学反应最具成本效益。这是使该工艺实现工业规模的关键。

“我们实际上掌握了一种化学原理，一种指导性的设计规则，它将教会我们如何识别可用于这些反应器的低成本氧化铁，”Kempler说道。

钢铁被广泛应用于从建筑到汽车再到基础设施的各个领域，2024年全球钢铁产量接近20亿吨。目前，该工艺中消耗化石燃料最多的部分是将铁矿石（自然界中存在的氧化铁）转化为纯铁金属。

传统的炼铁工艺是在高炉中进行的，高炉会向大气中排放二氧化碳，而肯普勒的团队正在开发一种不同的炼铁方法。

新工艺始于廉价易得的盐水和氧化铁，并通过一系列化学反应将它们转化为铁金属。这些反应恰好也产生了氯，这是一种具有商业价值的副产品。

几年前，当Kempler及其团队开始开发他们的工艺时，从化学品供应商那里获得了少量的氧化铁。这些材料在实验室测试中效果良好。但它们并不能反映出天然存在的富铁材料，天然富铁材料的成分和结构差异更大。

“因此，接下来一个很自然的问题是：如果你真的尝试处理直接从地下挖出的东西，而不经过额外的净化、研磨等处理，会发生什么？”Kempler实验室博士后研究员、该项目的共同负责人Ana Konovalova说道。

当团队对不同种类的氧化铁进行实验时，显然有些氧化铁的效果比其他氧化铁好得多。但研究人员并不确定是什么导致了他们从不同起始材料中生成的铁金属量的差异。是氧化铁颗粒的大小？材料的成分？还是特定杂质的存在与否？

Konovalova和研究生Andrew Goldman找到了创造性的方法来测试某些变量，同时保持其他变量不变。例如，他们将氧化铁粉末制成纳米颗粒，并对一些纳米颗粒进行热处理，使其更加致密，孔隙率更低。

“它会凝固成相同的二次纳米颗粒形状，但内部不再观察到初级颗粒。它们本质上是同一种材料，只是处于不同的阶段，”Konovalova表示。

在实验室测试中，差异非常显著：“有了这些多孔颗粒，我们可以在小面积上快速制铁，”Goldman表示。“致密的颗粒无法达到同样的速度，因此每平方米电极的制铁量受到限制。”

这对于使该工艺在工业规模上发挥作用至关重要，因为工业规模的成功通常取决于经济效益。

大型电化学工厂的建设成本高昂，而且成本与电极面积成正比。为了使其经济可行，电极需要能够快速生成足够的产物，以收回初始投资。

多孔颗粒的反应速度更快，这意味着初始资本成本可以更快地收回，从而降低铁产品的最终成本，理想情况下，成本要低到足以与传统方法竞争。

Kempler表示，这项研究的重点并非在于这些特定的纳米颗粒对于电化学过程的顺利进行至关重要。相反，这项研究表明，起始材料的表面积才是真正重要的。多孔纳米颗粒拥有更大的表面积，有利于反应进行，从而加快反应速度。其他具有多孔结构的氧化铁也可能具有成本效益。

“我们的目标是找到一种资源丰富、价格低廉且对环境影响小于其他替代方案的材料，”Kempler说道。“如果我们发明了一种比目前主要的炼铁方法更具破坏性的材料，我们就不会满足于现状。”

为了将新工艺推广到实验室之外，Kempler的实验室正在与其他领域的研究人员合作。与俄勒冈州立大学（Oregon State University）土木工程师的合作帮助他们更好地了解产品在实际应用中所需的条件。与一家电极制造公司的合作则帮助他们解决了扩大电化学工艺规模的物流和科学挑战。

“我认为这项研究表明，技术可以满足工业社会的需求，而不会对环境造成破坏，”Goldman表示。“当然，我们还没有解决所有问题，但我认为这是一个典范，可以作为以不同方式思考解决方案的起点。我们可以继续发展工业、技术和医学，而且我们可以以一种清洁的方式实现它们。”