最干净的钢铁？科学家以更低的成本实现了无煤炼铁

一种低温电化学炼铁方法可能重塑钢铁工业。

钢铁是现代文明的支柱，从建筑、桥梁到汽车和电器，钢铁的应用无处不在。

另一方面，炼钢是世界上最大的碳排放源之一，主要是由于使用燃煤高炉从矿石中提取铁的传统工艺。

随着全球对钢铁的需求持续增长，寻找更清洁、更可持续的生产方式至关重要 —— 不仅是为了实现气候目标，也是为了工业本身的未来。

现在，研究人员正转向电化学，重新构想我们如何制造铁，这是钢铁的关键成分。

这种新兴的方法不依赖于高温的化石燃料炉，而是利用电力在更低的温度下从氧化铁中提取纯铁，而且排放量也大大减少。

这是朝着更环保的钢铁行业迈出的有希望的一步 —— 在不牺牲性能或盈利的情况下帮助减少污染。

对铁矿石产业规模的反思

在俄勒冈大学，化学家保罗·肯普勒和他的团队正在开发一种电化学过程，将氧化铁和盐水转化为纯铁金属，同时还能产生氯，这是一种有商业价值的副产品。

这种方法可以减少传统炼铁对环境的影响，并最终在成本上与目前重碳的炼铁方法竞争。

去年，该团队在实验室中展示了电化学可以成功地将氧化铁转化为铁。

但现实世界中的铁矿石远比早期测试中使用的纯化材料复杂。

为了使他们的工艺更接近工业现实，研究人员需要弄清楚哪种类型的天然氧化铁在这些低温反应中效果最好。

“我们实际上有一个化学原理，一种指导性的设计规则，它将教会我们如何识别低成本的氧化铁，我们可以在这些反应堆中使用，”肯普勒说。

形状重于尺寸！

为了回答这个问题，博士后研究员Ana Konovalova和研究生Andrew Goldman研究了氧化铁颗粒的形状和结构如何影响这一过程。

他们创造了多孔和致密的颗粒，它们的成分相似，但内部结构不同。

他们的发现很清楚：孔隙度很重要。多孔颗粒具有更大的内表面积，使铁的生产速度更快，效率更高。

相比之下，致密的颗粒减慢了这一过程，并限制了一次能制造多少铁。

“有了真正多孔的颗粒，我们可以在小范围内快速制造铁，”Andrew Goldman说。“致密颗粒无法达到相同的速率，所以我们在每平方米电极上可以制造多少铁受到限制。”

一个巨大的飞跃

效率不仅仅是科学上的胜利，也是商业上的需要。大型电化学工厂是昂贵的，一个系统生产铁的速度越快，它就能越快收回成本。

利用多孔颗粒，研究小组估计他们可以以每吨600美元以下的价格生产铁，这与传统的炼铁差不多。

电极设计和多孔原料的进一步发展可能会进一步推动这一过程。

为了加速从实验室到工业的发展，该团队正在与俄勒冈州立大学的土木工程师和一家电极制造公司合作。

Andrew Goldman说：“我认为这项工作表明，技术可以满足工业社会的需求，而不会对环境造成破坏。”

“当然，我们还没有解决所有的问题，但我认为这是一个例子，可以作为思考解决方案的不同方式的核心点。”

这项研究发表在《ACS能源快报》上。

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