德国马普钢铁所Yan Ma、Dierk Raabe组AS：用氨复原氧化铁——绿色钢铁的可继续发展之路

  原标题：德国马普钢铁所Yan Ma、Dierk Raabe组AS：用氨复原氧化铁——绿色钢铁的可继续发展之路

  摘要：钢铁是全球文明的支柱。但三千多年以来，炼铁依赖于石化复原剂来复原氧化铁，因而钢铁职业现在是全球二氧化碳排放量最大的工业，正面对火急的脱碳应战。德国马普钢铁所Yan Ma和Dierk Raabe课题组运用氨气作为可再生动力和氢气载体，介绍了一种用氨直接复原氧化铁的可继续炼铁工艺，为钢铁职业碳中和供给了新思路。

  要害词：Advanced Science ，氧化铁，氨，自催化反响，再生动力，可继续炼铁，二氧化碳排放

  钢铁是全球文明和工业化的支柱，现在年产量约为18.5亿吨。在2050年，这一惊人的数字估计将增长到25-30亿吨。因为炼铁依赖于运用化石复原剂（来自煤、焦炭和甲烷）来复原氧化铁，因而钢铁职业现在是全球二氧化碳排放量最大的工业，约占全球排放量的7%。钢铁工业火急需求颠覆性的可继续办法来应对所面对的脱碳应战，然后实现从根据化石燃料的钢铁出产向根据清洁动力的钢铁出产的形式改变。这种技能转型是对立全球变暖的最大杠杆。氢基直接复原是其间最有远景的办法之一，条件是氢是运用可再生动力（称为绿氢）出产的。在这个进程中，副产品是水而不是二氧化碳。

  可继续动力出产的季节性和地理分布意味着绿色氢的需求和供给将在时刻上和空间上都难以同步。因而，可再生动力同今日的化石动力相同，不仅在部分区域范围内并且在跨大陆范围内有必要进行存储和运送。但是，因为紧缩或液化氢气需求很多能量（例如，分别在350-700个大气压或-253°C的超低温下），氢气的贮存和运送仍然是一项严重应战。在这种可运送的条件下运送氢气的本钱超越其供给的化学能的30%。液态无水氨（NH 3 ）具有高体积氢含量（~121kg-H 2 /m 3 ）和能量密度（4.25kWh/L），是一种高效且具有本钱竞争力的氢和能量存储载体。氨能够在温文条件下经过加压（25°C时约8bar）或冷藏（1bar时零下33°C）液化。一个多世纪以来，氨在全球肥料出产中发挥了要害作用，在出产、液化、贮存和运送方面已具有老练的技能。氨的这些优势促进人们研讨将由氨作为载体的绿色动力与氢基直接复原相结合的钢铁冶金的可继续发展之路。

  近来，德国马普钢铁所Yan Ma和Dierk Raabe课题组与北京科技大学，韩国国立釜庆大学，韩国高丽大学，英国帝国理工学院的科学家们运用氨气作为可再生动力和氢气载体，介绍了一种用氨直接复原氧化铁的可继续炼铁工艺并对其复原行为进行了具体的论述。这种办法的一个重要长处是，在复原进程之前，不需求运用贵金属催化剂（例如钌）将绿色氨裂解成氢气和氮气，因而避免了再转化的额定本钱。在700°C下，氨复原反响在动力学上与氢复原反响相同可有用地出产直接复原铁。在直接复原进程中，逐步生成的多孔海绵铁在高温下能够有用催化氨裂解成氢，释放出的氢气进一步促进氧化铁被复原为铁。这种自催化反响机理为进一步进步反响功率和削减固定资产投入（例如，氨裂解的设备本钱）和运营开销（例如，贵金属催化剂的本钱）供给了途径。此外，氮气是一种无毒、非温室气体，作为氨分化的副产物，能够作为竖炉中的热载体来保持反响温度，然后进步氧化铁吸热复原反响的功率。复原铁在氨气中冷却时产生原位渗氮，氮化能够进步海绵铁的抗腐蚀性，钝化了本来高度生动的多孔复原铁，为运送海绵铁供给了要害的安全确保。不然，多孔海绵铁因为其高表面积与体积比（一般高于40vol.%孔隙率），容易与氧气或水分产生再氧化和激烈的放热反响。这种保护性氮化物相可在随后的电炉炼钢进程中彻底溶解和去除。

  此项研讨，经过展现如安在炼铁进程中直接运用以绿氨为载体的可再生动力，为绿色钢铁的可继续发展供给了新的思路。凭仗这些优势，氨气直接复原炼铁技能连接了现在温室气体最为密布的两个职业（即钢铁和氨出产职业），并拓荒了一条使它们愈加环保和可继续的新途径。相关论文在线宣布在 Advanced Science 上。

  Advanced Science 是Wiley旗下创刊于2014年的优质开源期刊，宣布材料科学、物理化学、生物医药、工程等各范畴的立异成果与前沿发展。期刊为致力于最大程度地向大众传达科研成果，一切文章均可免费获取。被Medline录入，PubMed可查。最新影响因子为17.521，中科院2021年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技能大类Q1区。