저온 전기화학 제철 방법은 철강 산업을 재편할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

철강은 현대 문명의 중추이며 건물과 교량에서 자동차 및 가전 제품에 이르기까지 모든 곳에서 사용됩니다.

반면에 제강은 세계에서 가장 큰 탄소 배출원 중 하나이며, 주로 석탄 연소 용광로를 사용하여 광석에서 철을 추출하는 전통적인 공정으로 인해 발생합니다.

철강에 대한 전 세계 수요가 계속 증가함에 따라 기후 목표를 달성하는 것뿐만 아니라 산업 자체의 미래를 위해서도 더 깨끗하고 지속 가능한 생산 방법을 찾는 것이 중요합니다.

이제 연구자들은 강철의 핵심 구성 요소인 철을 만드는 방법을 재구상하기 위해 전기화학으로 눈을 돌리고 있습니다.

고온의 화석 연료 용광로에 의존하는 대신, 이 새로운 방법은 전기를 사용하여 더 낮은 온도의 산화철에서 순수한 철을 추출하고 배출량을 크게 줄입니다.

이는 보다 친환경적인 철강 산업을 향한 유망한 단계이며, 성능이나 수익성을 희생하지 않고 오염을 줄이는 데 도움이 됩니다.

철광석 산업의 규모에 대한 고찰

오리건 대학의 화학자 폴 켐푸(Paul Kempoo)와 그의 팀은 산화철과 염수를 순수한 철 금속으로 변환하는 동시에 상업적으로 가치 있는 부산물인 염소를 생산하는 전기화학 공정을 개발하고 있습니다.

이 접근 방식은 기존 제철이 환경에 미치는 영향을 줄이고 궁극적으로 현재의 탄소 중화 제철 방법과 비용 면에서 경쟁할 수 있습니다.

지난해 연구팀은 실험실에서 전기화학이 산화철을 철로 성공적으로 전환할 수 있음을 입증했다.

그러나 실제 철광석은 이전 테스트에 사용된 정제된 물질보다 훨씬 더 복잡합니다.

프로세스를 산업 현실에 더 가깝게 만들기 위해 연구원들은 이러한 저온 반응에서 어떤 유형의 천연 산화철이 가장 잘 작동하는지 파악해야 합니다.

"우리는 실제로 이러한 반응기에서 사용할 수 있는 저렴한 산화철을 식별하는 방법을 가르쳐 줄 화학 원리, 안내 설계 규칙을 가지고 있습니다"라고 Kempler는 말했습니다.

크기보다 모양이 중요합니다!

이 질문에 답하기 위해 박사 후 연구원인 아나 코노발바(Ana Konovalova)와 대학원생인 앤드류 골드만(Andrew Goldman)은 산화철 입자의 모양과 구조가 이 과정에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다.

그들은 구성이 비슷하지만 내부 구조가 다른 다공성 및 밀도가 높은 입자를 생성합니다.

그들의 발견은 분명합니다: 다공성이 중요합니다. 다공성 입자는 내부 표면적이 더 커서 철 생산이 더 빠르고 효율적입니다.

대조적으로, 밀도가 높은 입자는 공정 속도를 늦추고 한 번에 만들 수 있는 철의 양을 제한합니다.

"진정한 다공성 입자를 사용하면 소규모로 철을 빠르게 만들 수 있습니다"라고 Andrew Goldman은 말합니다. "밀도가 높은 입자는 같은 속도에 도달할 수 없기 때문에 전극 평방 미터당 만들 수 있는 철의 양에 제한이 있습니다."

큰 도약

효율성은 과학의 승리일 뿐만 아니라 비즈니스의 필수 요소이기도 합니다. 대규모 전기 화학 공장은 비용이 많이 들며, 시스템이 철을 더 빨리 생산할 수 있을수록 더 빨리 비용을 지불할 수 있습니다.

연구팀은 다공성 입자를 사용하여 톤당 600달러 미만으로 철을 생산할 수 있을 것으로 추정하며, 이는 기존 제철 기술과 거의 같습니다.

전극 설계 및 다공성 공급 원료의 추가 개발은 이 프로세스를 더욱 발전시킬 가능성이 높습니다.

실험실에서 산업으로의 전환을 가속화하기 위해 이 팀은 오리건 주립 대학의 토목 엔지니어 및 전극 제조 회사와 협력하고 있습니다.

앤드류 골드만(Andrew Goldman)은 "이번 연구는 기술이 환경에 해를 끼치지 않으면서 산업 사회의 요구를 충족시킬 수 있다는 것을 보여준다고 생각한다. ”

"물론 아직 모든 문제를 해결한 것은 아니지만, 이번 사례는 다양한 해결 방법을 고민하는 중심점이 될 수 있는 사례라고 생각합니다."

이 연구는 ACS Energy Letters에 게재되었습니다.