一種低溫電化學煉鐵方法可能重塑鋼鐵工業。

鋼鐵是現代文明的支柱，從建築、橋樑到汽車和電器，鋼鐵的應用無處不在。

另一方面，煉鋼是世界上最大的碳排放源之一，主要是由於使用燃煤高爐從礦石中提取鐵的傳統工藝。

隨著全球對鋼鐵的需求持續增長，尋找更清潔、更可持續的生產方式至關重要 —— 不僅是為了實現氣候目標，也是為了工業本身的未來。

現在，研究人員正轉向電化學，重新構想我們如何製造鐵，這是鋼鐵的關鍵成分。

這種新興的方法不依賴於高溫的化石燃料爐，而是利用電力在更低的溫度下從氧化鐵中提取純鐵，而且排放量也大大減少。

這是朝著更環保的鋼鐵行業邁出的有希望的一步 —— 在不犧牲性能或盈利的情況下幫助減少污染。

對鐵礦石產業規模的反思

在俄勒岡大學，化學家保羅·肯普勒和他的團隊正在開發一種電化學過程，將氧化鐵和鹽水轉化為純鐵金屬，同時還能產生氯，這是一種有商業價值的副產品。

這種方法可以減少傳統煉鐵對環境的影響，並最終在成本上與目前重碳的煉鐵方法競爭。

去年，該團隊在實驗室中展示了電化學可以成功地將氧化鐵轉化為鐵。

但現實世界中的鐵礦石遠比早期測試中使用的純化材料複雜。

為了使他們的工藝更接近工業現實，研究人員需要弄清楚哪種類型的天然氧化鐵在這些低溫反應中效果最好。

“我們實際上有一個化學原理，一種指導性的設計規則，它將教會我們如何識別低成本的氧化鐵，我們可以在這些反應堆中使用，”肯普勒說。

形狀重於尺寸！

為了回答這個問題，博士後研究員Ana Konovalova和研究生Andrew Goldman研究了氧化鐵顆粒的形狀和結構如何影響這一過程。

他們創造了多孔和緻密的顆粒，它們的成分相似，但內部結構不同。

他們的發現很清楚：孔隙度很重要。多孔顆粒具有更大的內表面積，使鐵的生產速度更快，效率更高。

相比之下，緻密的顆粒減慢了這一過程，並限制了一次能製造多少鐵。

“有了真正多孔的顆粒，我們可以在小範圍內快速製造鐵，”Andrew Goldman說。“緻密顆粒無法達到相同的速率，所以我們在每平方米電極上可以製造多少鐵受到限制。”

一個巨大的飛躍

效率不僅僅是科學上的勝利，也是商業上的需要。大型電化學工廠是昂貴的，一個系統生產鐵的速度越快，它就能越快收回成本。

利用多孔顆粒，研究小組估計他們可以以每噸600美元以下的價格生產鐵，這與傳統的煉鐵差不多。

電極設計和多孔原料的進一步發展可能會進一步推動這一過程。

為了加速從實驗室到工業的發展，該團隊正在與俄勒岡州立大學的土木工程師和一家電極製造公司合作。

Andrew Goldman說：“我認為這項工作表明，技術可以滿足工業社會的需求，而不會對環境造成破壞。”

“當然，我們還沒有解決所有的問題，但我認為這是一個例子，可以作為思考解決方案的不同方式的核心點。”

這項研究發表在《ACS能源快報》上。