Производство стали и сплавов обеспечивает около 8% мировых выбросов углекислого газа. Перед лицом неотложных требований «двойной углеродной цели» замена угля зеленым водородом для восстановления оксидов металлов всегда была идеальным путем в металлургии. Однако низкая скорость реакции водорода при средних и низких температурах и его низкая эффективность долгое время сдерживали промышленное применение этой технологии.

Недавно совместная исследовательская группа Сианьского университета Цзяотун и Института устойчивых материалов Макса Планка (Германия) опубликовала прорывное исследование в журнале Nature Synthesis. Они впервые раскрыли новый механизм «твердо-твердого катализа», который, вводя оксид никеля в качестве каталитического предшественника в железную руду, позволил увеличить кинетику водородного восстановления примерно в 2 раза. Это открытие открывает жизнеспособный путь к низкоуглеродной трансформации производства стали и сплавов, сочетающий эффективность и экономичность.

Водородная металлургия «зеленая», но «медленная»

Традиционное доменное производство чугуна основано на коксе, процесс не только энергоемкий, но и сопровождается большими выбросами углекислого газа. Технология прямого водородного восстановления использует зеленый водород в качестве восстановителя, что теоретически позволяет достичь почти нулевых выбросов углерода и может упростить традиционный многостадийный процесс «восстановление руды – плавка – легирование» до одностадийного твердофазного прямого восстановления.

Однако между идеалом и реальностью существует разрыв, называемый «кинетикой реакции». При средних и низких температурах скорость восстановления оксидов железа водородом очень низкая, что напрямую влияет на эффективность производства и экономичность. Как значительно повысить скорость восстановления, сохраняя при этом преимущества низкоуглеродности, является ключевой проблемой, которую необходимо срочно решить мировой металлургии.

От «пассивного ожидания» к «активному катализу»

Группа профессора Чжоу Сюяна из Школы материаловедения Сианьского университета Цзяотун совместно с Институтом Макса Планка предложила революционную стратегию «твердо-твердого катализа».

«In situ» образование катализатора: Исследовательская группа смешала оксид никеля (NiO) с оксидом железа (Fe₂O₃). В атмосфере водорода оксид никеля восстанавливается в первую очередь, образуя in situ нанопористый металлический никель. Этот образованный in situ пористый никель имеет большую удельную поверхность и более высокую каталитическую активность по сравнению с непосредственно добавленным металлическим никелевым порошком.

Ускорение восстановления за счет эффекта «водородного спилловера»: Образованный in situ пористый никель и соседний оксид железа образуют динамическую границу раздела металл-оксид. Эта граница раздела действует как эффективная «каталитическая фабрика»: она способствует диссоциации молекул водорода (H₂) и, благодаря эффекту «водородного спилловера», эффективно «транспортирует» диссоциированные активные атомы водорода на поверхность оксида железа, тем самым значительно ускоряя удаление кислорода и восстановление железа.

«Синхронное» образование сплава: Что еще более удивительно, этот механизм не только ускоряет восстановление, но и обходит традиционный путь образования сплава. Исследование показало, что сплав железо-никель образуется не медленно после полного восстановления железа, а синхронно в процессе восстановления. Динамическая граница раздела способствует прямому внедрению атомов железа в кристаллическую решетку гранецентрированного кубического (ГЦК) никеля, минуя длительный процесс зарождения традиционной объемно-центрированной кубической (ОЦК) фазы железа.

Цифры говорят сами за себя, эффект значителен

Исследование подтвердило этот механизм на атомном уровне с помощью передовых методов, таких как синхротронная рентгеновская дифракция in situ и четырехмерная сканирующая просвечивающая электронная микроскопия. Экспериментальные данные демонстрируют его мощный потенциал для промышленного применения:

Увеличение кинетики в 2 раза: При температуре 700°C введение оксида никеля сократило время восстановления оксида железа примерно вдвое, а общая кинетика восстановления увеличилась примерно в 2 раза.

Снижение температуры восстановления на 100°C: В условиях моделирования непрерывного промышленного нагрева добавление никеля или оксида никеля снизило начальную температуру восстановления оксида железа как минимум примерно на 100°C.

Открытие нового пути для зеленой стали и высококачественных сплавов

Это исследование предлагает новый взгляд на водородную металлургию: благодаря эффекту твердо-твердого катализа производство сплавов на водородной основе может быть не только более устойчивым, чем традиционные процессы, но и обеспечивать как кинетические, так и коммерческие преимущества.

С точки зрения перспектив применения, эта стратегия может предложить новые идеи для экологичного производства ряда ключевых систем сплавов, включая никельсодержащие стали, нержавеющие стали, сплавы с низким коэффициентом расширения, высокопрочные стали и материалы для криогенной техники. Сочетая процессы восстановления оксидов и легирования, этот метод может снизить зависимость от высокотемпературной плавки и длительной гомогенизации в традиционных металлургических процессах.

Этот результат, полученный в сотрудничестве Сианьского университета Цзяотун и немецкого Института Макса Планка, преодолевает кинетический барьер водородной металлургии при средних и низких температурах и демонстрирует огромный потенциал междисциплинарного и международного сотрудничества для трансформации фундаментальной науки в промышленное применение.