化學家們正在開創一種清潔的電化學煉鐵方法，這是鋼鐵業脫碳的關鍵一步。他們的工藝採用鹽水和氧化鐵，取代了碳含量較高的高爐，並經過優化，能夠使用天然材料。透過尋找低成本、多孔且能顯著提高效率的氧化鐵，團隊正在為大規模環保鋼鐵生產奠定基礎。在工程師和製造商的幫助下，他們正在推動這項綠色技術更接近現實世界。

俄勒岡大學的化學家們正在努力尋找一種更清潔的方法來生產用於煉鋼的鐵，煉鋼產業是世界上最大的碳排放源之一。

去年，俄勒岡大學化學家保羅·肯普勒和他的團隊介紹了一種利用電化學方法製造鐵的方法。該過程依賴一系列化學反應，將鹽水和氧化鐵轉化為純鐵金屬。

在他們的最新研究中，研究人員專注於透過確定哪些類型的氧化鐵可以使反應更具成本效益來改進該過程，這是擴大該方法用於工業用途的重要一步。

「我們實際上有一個化學原理，一種指導設計規則，它將教我們如何識別可以在這些反應器中使用的低成本氧化鐵，」肯普勒說。

這項研究於4 月9 日發表在《ACS Energy Letters》上。

2024年，全球鋼鐵產量接近20億噸，用於從建築到汽車再到基礎設施等各個領域。目前，鋼鐵生產過程中消耗化石燃料最多的環節是將鐵礦石（自然界中存在的氧化鐵）轉化為純鐵金屬。

傳統上，煉鐵是在高爐中進行的，高爐會向大氣中排放二氧化碳，而肯普勒的團隊正在開發不同的煉鐵方法。

博士後安娜·科諾瓦洛娃（Ana Konovalova）展示保羅·肯普勒實驗室設計的電化學電池。圖片來源：俄勒岡大學

他們的工藝以廉價易得的鹽水和氧化鐵為原料，透過一系列化學反應將其轉化為鐵金屬。這些反應同時也會生成氯──一種具有商業價值的副產品。

幾年前，當肯普勒和他的團隊開始開發他們的製程時，他們從化學品供應公司獲得了少量的氧化鐵。

這些材料在實驗室測試中表現良好，但它們並不能反映自然界中發現的富鐵材料，後者的成分和結構差異更大。

「那麼接下來很自然的問題是：如果你真的嘗試處理直接從地下挖出的東西，而不經過額外的淨化、研磨等等，會發生什麼？」該計畫的共同負責人、肯普勒實驗室的博士後研究員安娜·科諾瓦洛娃(Ana Konovalova) 說。

當團隊嘗試不同種類的氧化鐵時，顯然有些氧化鐵的效果比其他氧化鐵好得多。但研究人員並不確定是什麼導致了他們從不同起始材料中產生的鐵金屬量的差異。是氧化鐵顆粒的大小？還是材料的成分？還是特定雜質的存在與否？

金屬氧化物顆粒的形狀和孔隙率，而非顆粒大小，對電化學煉鐵效率至關重要。圖片來源：改編自ACS Energy Letters 2025，DOI：10.1021/acsenergylett.5c00166

科諾瓦洛娃和研究生安德魯·戈德曼找到了創造性的方法來測試某些變量，同時保持其他變量不變。

例如，他們將氧化鐵粉末製成奈米顆粒，對一些奈米顆粒進行熱處理，使其更加緻密，孔隙率更低。

「它凝固成了相同的二次奈米顆粒形狀，但內部沒有觀察到更多的初級粒子。它本質上是相同的材料，只是處於不同的階段，」科諾瓦洛娃說。

在實驗室測試中，差異非常顯著：“有了這些多孔顆粒，我們可以在一小塊區域內快速地製造鐵，”戈德曼說，“而緻密的顆粒無法達到同樣的速度，因此我們每平方米電極所能製造的鐵量受到限制。”

這是使該過程在工業規模上發揮作用的關鍵見解，其成功通常取決於經濟因素。

大型電化學工廠的建造成本高昂，且成本與電極面積成正比。為了使其經濟可行，電極需要能夠快速產生足夠的產物，以收回初始投資。多孔顆粒的反應速度更快，這意味著初始資本成本可以更快地收回，從而降低鐵產品的最終成本，理想情況下，成本要低到足以與傳統方法競爭。

肯普勒表示，關鍵點並非在於這些特定的奈米顆粒對於電化學過程的良好進行至關重要。相反，這項研究表明，起始材料的表面積才是真正重要的。多孔奈米顆粒擁有更大的表面積，有利於反應進行，從而加快反應速度。其他具有多孔結構的氧化鐵也可能具有成本效益。

「我們的目標是找到一種儲量豐富、價格低廉、對環境影響較小的資源，」肯普勒說。 “如果我們發明了一種比目前主要的煉鐵方法更具破壞性的方法，我們就不會滿足。”

為了將他們的工藝推廣到實驗室之外，Kempler 的實驗室正在與其他領域的研究人員合作。與俄勒岡州立大學土木工程師的合作幫助他們更了解產品在實際應用中所需的條件。與一家電極製造公司的合作則幫助他們解決了擴大電化學製程規模的後勤和科學挑戰。

編譯自/ ScitechDaily