有望大幅减少钢铁碳足迹的化学方法

化学家们正在开创一种清洁的电化学炼铁方法，这是钢铁行业脱碳的关键一步。他们的工艺采用盐水和氧化铁，取代了碳含量较高的高炉，并经过优化，能够使用天然材料。通过寻找低成本、多孔且能显著提高效率的氧化铁，该团队正在为大规模环保钢铁生产奠定基础。在工程师和制造商的帮助下，他们正在推动这项绿色技术更接近现实世界。

俄勒冈大学的化学家们正在努力寻找一种更清洁的方法来生产用于炼钢的铁，炼钢行业是世界上最大的碳排放源之一。

去年，俄勒冈大学化学家保罗·肯普勒和他的团队介绍了一种利用电化学方法制造铁的方法。该过程依赖于一系列化学反应，将盐水和氧化铁转化为纯铁金属。

在他们的最新研究中，研究人员专注于通过确定哪些类型的氧化铁可以使反应更具成本效益来改进该过程，这是扩大该方法用于工业用途的重要一步。

“我们实际上有一个化学原理，一种指导设计规则，它将教我们如何识别可以在这些反应堆中使用的低成本氧化铁，”肯普勒说。

该研究于 4 月 9 日发表在《ACS Energy Letters》上。

2024年，全球钢铁产量接近20亿吨，用于从建筑到汽车再到基础设施等各个领域。目前，钢铁生产过程中消耗化石燃料最多的环节是将铁矿石（自然界中存在的氧化铁）转化为纯铁金属。

传统上，炼铁是在高炉中进行的，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。

博士后安娜·科诺瓦洛娃（Ana Konovalova）展示保罗·肯普勒实验室设计的电化学电池。图片来源：俄勒冈大学

他们的工艺以廉价易得的盐水和氧化铁为原料，通过一系列化学反应将其转化为铁金属。这些反应同时也会生成氯——一种具有商业价值的副产品。

几年前，当肯普勒和他的团队开始开发他们的工艺时，他们从化学品供应公司获取了少量的氧化铁。

这些材料在实验室测试中表现良好，但它们并不能反映自然界中发现的富铁材料，后者的成分和结构差异更大。

“那么接下来很自然的问题是：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、研磨等等，会发生什么？” 该项目的共同负责人、肯普勒实验室的博士后研究员安娜·科诺瓦洛娃 (Ana Konovalova) 说道。

当团队尝试不同种类的氧化铁时，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？还是材料的成分？还是特定杂质的存在与否？

金属氧化物颗粒的形状和孔隙率，而非颗粒大小，对电化学炼铁效率至关重要。图片来源：改编自ACS Energy Letters 2025，DOI：10.1021/acsenergylett.5c00166

科诺瓦洛娃和研究生安德鲁·戈德曼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，对一些纳米颗粒进行热处理，使其更加致密，孔隙率更低。

“它凝固成了相同的二次纳米颗粒形状，但内部没有观察到更多的初级粒子。它本质上是相同的材料，只是处于不同的阶段，”科诺瓦洛娃说。

在实验室测试中，差异非常显著：“有了这些多孔颗粒，我们可以在一小块区域内快速地制造铁，”戈德曼说，“而致密的颗粒无法达到同样的速度，因此我们每平方米电极所能制造的铁量受到限制。”

这是使该过程在工业规模上发挥作用的关键见解，其成功通常取决于经济因素。

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，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。

肯普勒表示，关键点并非在于这些特定的纳米颗粒对于电化学过程的良好进行至关重要。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储量丰富、价格低廉、对环境影响较小的资源，”肯普勒说。“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方法，我们就不会满足。”

为了将他们的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后勤和科学挑战。

编译自/ScitechDaily