В настоящее время на выбросы углерода от сталелитейной и металлургической промышленности приходится около 10% от общемирового объёма. Основная проблема заключается в огромном энергопотреблении и высокой степени загрязнения высокотемпературных углеродных процессов восстановления. Исследовательская группа Сианьского университета Цзяотун и Института устойчивых материалов Общества Макса Планка (Германия) опубликовала прорывное достижение в ведущем международном журнале Nature Synthesis. Они впервые выявили и использовали ранее неизвестный механизм «твёрдо-твёрдого катализа» в водородной металлургии. Добавляя оксид никеля в качестве каталитического предшественника в процессе восстановления железной руды, они создали динамическую границу раздела металл-оксид, что позволило повысить кинетическую эффективность водородного восстановления как минимум в 2 раза и значительно снизить начальную температуру восстановления более чем на 100 °C. Это открывает новый «низкотемпературный и высокоскоростной» технологический путь для сталелитейной промышленности к эпохе углеродной нейтральности.

«Углеродная дилемма» традиционной металлургии и «проблема медлительности» водородной металлургии

Производство стали и металлов является основой современной промышленности и производства высокотехнологичного оборудования. Однако традиционный метод извлечения металлов — высокотемпературная углеродная пирометаллургия — использует углерод (например, кокс, угольную пыль) в качестве восстановителя, что приводит к огромным выбросам углекислого газа, составляя около 8–10% мировых выбросов парниковых газов.

Для преодоления этого барьера технология прямого водородного восстановления рассматривается как один из наиболее перспективных зелёных альтернативных вариантов. Она использует зелёный водород (H₂), полученный из возобновляемой электроэнергии, вместо углерода в качестве восстановителя, а продуктом восстановления является вода (H₂O), что теоретически позволяет достичь нулевых выбросов углерода. Ещё более привлекательным является то, что эта технология может объединить традиционный многостадийный энергоёмкий процесс «восстановление руды — выплавка сплава — термомеханическая обработка» в одностадийный низкотемпературный металлургический процесс. Однако медленная кинетика реакции при средних и низких температурах, а также сложные межфазные реакции, ограничивающие эффективность легирования, являются ключевыми проблемами, сдерживающими широкое применение этой технологии.

Преодоление этого кинетического барьера стало общей целью для материаловедов и металлургов по всему миру.

«Микроскопический каталитический завод» на динамической границе раздела

Столкнувшись с этой задачей, команда профессора Чжоу Сюяна из Сианьского университета Цзяотун в тесном сотрудничестве с Институтом устойчивых материалов Общества Макса Планка сосредоточилась на процессе «симбиотического» восстановления двух оксидов металлов, предложив каталитическую стратегию, бросающую вызов традиционным представлениям.

In situ генерация: создание «каталитического фронта»

Исследовательская группа использовала смешанную оксидную систему оксида железа и оксида никеля (Fe₂O₃-NiO) в качестве модельной. Они обнаружили, что оксид никеля, введённый в процессе совместного восстановления, не является инертным наблюдателем, а играет революционную роль «каталитического предшественника». В атмосфере водорода оксид никеля восстанавливается в первую очередь, образуя in situ нанопористую металлическую структуру никеля с чрезвычайно высокой удельной поверхностью. Этот нанопористый никель, образованный in situ, по сравнению с прямым добавлением порошка металлического никеля, формирует более тесную и более активную динамическую границу раздела металл-оксид с соседними оксидами железа, создавая тем самым «передовой плацдарм» для эффективного катализа и обмена элементами.

Эффект водородного спилловера: разгадка тайны ускорения восстановления

Суть этого каталитического «передового плацдарма» заключается в значительном усилении эффекта «водородного спилловера». Исследование показало, что когда молекулы водорода (H₂) достигают этой динамической границы раздела, образованной никелем и оксидом железа, металлический никель эффективно расщепляет стабильные молекулы H₂ на высокореакционноспособные атомы водорода (H*). Эти атомы водорода затем быстро «перетекают» на поверхность соседнего оксида железа, что значительно ускоряет удаление кислорода и восстановление оксида железа. Этот процесс ярко иллюстрирует «микроскопический каталитический завод», работающий на атомном уровне с высокой эффективностью.

Одностадийный синтез: обход традиционных кристаллизационных барьеров

Используя ряд передовых методов характеризации, таких как синхротронная рентгеновская дифракция in situ и атомно-зондовая томография, команда дополнительно раскрыла металлургическую революцию, вызванную этим механизмом. Они подтвердили, что сплав железо-никель образуется не после полного восстановления железа путём медленной твёрдофазной диффузии, а непосредственно в ходе реакции восстановления, используя динамические реакции на границе раздела никеля и оксида железа, в одну стадию. Этот процесс полностью обходит длительный и энергоёмкий путь традиционной металлургии, на котором атомы железа сначала должны сформировать фазу железа с объёмно-центрированной кубической (ОЦК) решёткой, а затем подвергнуться дальнодействующей диффузии.

Прорыв в производительности и стратегическая ценность: «зелёный двигатель» для снижения затрат и повышения эффективности

Открытие и применение механизма твёрдо-твёрдого катализа привело к получению ряда ключевых данных, определяющих эффективность и экономическую выгоду:

Повышение кинетики как минимум вдвое: После добавления оксида никеля общая кинетика водородного восстановления увеличилась примерно в 2 раза по сравнению с некатализируемой традиционной системой. Это означает, что при том же объёме печи и времени производства выход продукции может удвоиться.

Значительное снижение температуры реакции: В тестах, имитирующих непрерывный нагрев в промышленных условиях, добавление оксида никеля позволило снизить начальную температуру восстановления оксида железа как минимум примерно на 100 °C. Это достижение значительно снизит требования к высокотемпературному оборудованию и коренным образом уменьшит потребление энергии. Реакция восстановления может даже начинаться при температуре всего 300 °C, что значительно ниже температуры воспламенения водорода, что существенно повышает безопасность процесса.

Высокая промышленная ценность продукта: Получаемый непосредственно в этом процессе сплав железо-никель является важным базовым сплавом, широко используемым в производстве нержавеющих сталей 304 и 316, а также высокопрочных и криогенных сталей для автомобильной, энергетической и медицинской отраслей.

От «превращения камня в золото» к «точному дизайну»

Ценность этого исследования выходит далеко за рамки предложения одной каталитической стратегии. Оно знаменует собой смену парадигмы в металлургии прямого водородного восстановления от «эмпирических проб и ошибок» к «механистическому подходу», открывая новые пути для экологизации всей металлургической промышленности:

Перестройка металлургических процессов, расширение производства никельсодержащих сплавов

Этот механизм предлагает новые идеи для экологически чистого производства ключевых систем сплавов, таких как никельсодержащие нержавеющие стали, сплавы с низким коэффициентом теплового расширения и высокопрочные стали. Он может значительно снизить зависимость традиционных металлургических процессов от высокотемпературной плавки и длительной гомогенизации, позволяя реализовать «одностадийное» производство.

Открытие универсального каталитического пути, охватывающего множество металлов

Хотя текущее исследование использует никель в качестве модели, его принцип является универсальным. Исследователи полагают, что оксиды переходных металлов, такие как кобальт, обладающие схожими с железом физико-химическими свойствами, также могут проявлять аналогичное каталитическое поведение. Даже такие трудно восстанавливаемые оксиды, как TiO₂, могут способствовать водородному спилловеру, предоставляя активную поверхность.

Ускорение реализации дорожной карты углеродной нейтральности

Эта технология коренным образом снижает температурный порог прямого водородного восстановления, повышая его производственную эффективность и промышленную экономичность. Она будет способствовать переходу сталелитейной промышленности от «движимой низкой стоимостью» к «движимой зелёной экономикой», предоставляя новый образец от теории к практике для достижения целей «двойного углерода».

Ключевая технология великой державы, зелёная основа

Сталь — это костяк промышленности. В то время как весь мир ищет решения климатического кризиса, этот результат международного сотрудничества между Сианьским университетом Цзяотун и Институтом Общества Макса Планка, несомненно, предоставляет ключевой инновационный «катализатор» для перехода человечества от «чёрной металлургии» к «зелёной металлургии».

Это исследование не только опубликовано в ведущем академическом журнале Nature Synthesis, но и было отобрано для демонстрации крупных достижений Сианьского университета Цзяотун в рамках программы «Технологическая самостоятельность и опора на собственные силы», признано международно-лидирующим прорывом в области зелёной водородной металлургии и одностадийного синтеза сплавов. С углублением и распространением этого механизма «твёрдо-твёрдого катализа» начинается новая промышленная революция, характеризующаяся «более низкой температурой, более высокой скоростью и более высоким качеством». Китайские учёные и инженеры заявляют о себе во весь голос в этой глобальной зелёной трансформации.