Các nhà khoa học đưa ra phương pháp sản xuất sắt xanh hơn: Quy trình này có thể giúp cắt giảm lượng khí thải carbon trong ngành công nghiệp thép
Tác giả: Laurel Hamers, Đại học Oregon
Tiến sĩ Ana Konovalova giới thiệu về pin điện hóa được thiết kế trong phòng thí nghiệm của Paul Kempler. Nguồn: Đại học Oregon
Các nhà hóa học của Đại học Oregon đang đưa phương pháp xanh hơn để sản xuất kim loại sắt dùng trong sản xuất thép đến gần hơn với thực tế, một bước tiến tới mục tiêu làm sạch ngành công nghiệp vốn là một trong những tác nhân lớn nhất gây ra lượng khí thải carbon trên toàn thế giới. Nghiên cứu đã được công bố trên ACS Energy Letters.
Năm ngoái, nhà hóa học Paul Kempler của UO và nhóm của ông đã báo cáo về phương pháp tạo ra sắt bằng điện hóa học, sử dụng một loạt phản ứng hóa học biến nước muối và oxit sắt thành kim loại sắt nguyên chất.
Trong công trình mới nhất của mình, họ đã tối ưu hóa các nguyên liệu đầu vào cho quy trình này, xác định loại oxit sắt nào sẽ giúp các phản ứng hóa học đạt hiệu quả về mặt chi phí nhất. Đó chính là chìa khóa để đưa quy trình này vào hoạt động ở quy mô công nghiệp.
"Chúng tôi thực sự có một nguyên lý hóa học, một loại quy tắc thiết kế hướng dẫn, sẽ dạy chúng tôi cách xác định oxit sắt giá rẻ mà chúng tôi có thể sử dụng trong các lò phản ứng này", Kempler cho biết.
Được sử dụng trong mọi thứ, từ tòa nhà đến ô tô đến cơ sở hạ tầng, gần 2 tỷ tấn thép đã được sản xuất trên toàn thế giới vào năm 2024. Hiện tại, phần tiêu tốn nhiều nhiên liệu hóa thạch nhất của quá trình đó là biến quặng sắt - dạng sắt bị oxy hóa có trong tự nhiên - thành kim loại sắt nguyên chất.
Hình dạng và độ xốp, chứ không phải kích thước, của các hạt oxit kim loại mới là yếu tố quan trọng đối với hiệu quả sản xuất sắt điện hóa. Nguồn: Chuyển thể từ ACS Energy Letters 2025, DOI: 10.1021/acsenergylett.5c00166
Theo truyền thống, quá trình này được thực hiện trong lò cao thải carbon dioxide vào khí quyển, nhưng nhóm của Kempler đang phát triển một phương pháp tiếp cận khác đối với sản xuất sắt.
Quy trình của họ bắt đầu bằng nước muối và oxit sắt, vốn rẻ và sẵn có, và biến đổi chúng thành kim loại sắt thông qua một loạt phản ứng hóa học. Những phản ứng đó cũng tạo ra clo, một sản phẩm phụ có giá trị thương mại.
Khi Kempler và nhóm của ông bắt đầu phát triển quy trình của họ cách đây vài năm, họ bắt đầu với một lượng nhỏ oxit sắt từ các công ty cung cấp hóa chất.
Những vật liệu đó hoạt động tốt trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Nhưng chúng không phản ánh loại vật liệu giàu sắt có trong tự nhiên, vốn có nhiều biến thể hơn về thành phần và cấu trúc.
"Vì vậy, một câu hỏi tiếp theo rất tự nhiên là: Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn thực sự cố gắng làm việc với thứ gì đó được đào trực tiếp từ lòng đất, mà không được tinh chế thêm, nghiền thêm, v.v." Ana Konovalova, người đồng lãnh đạo dự án với tư cách là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Kempler, cho biết.
Khi nhóm thử nghiệm với các loại oxit sắt khác nhau, rõ ràng là một số loại hoạt động tốt hơn nhiều so với những loại khác. Nhưng các nhà nghiên cứu không chắc chắn điều gì thúc đẩy sự khác biệt về lượng kim loại sắt mà họ có thể tạo ra từ các nguyên liệu đầu vào khác nhau. Có phải là kích thước của các hạt oxit sắt không? Thành phần của vật liệu? Sự có mặt hay không của các tạp chất cụ thể?
Konovalova và nghiên cứu sinh Andrew Goldman đã tìm ra những cách sáng tạo để kiểm tra một số biến số nhất định trong khi vẫn giữ nguyên các biến số khác.
Ví dụ, họ lấy bột oxit sắt và biến nó thành các hạt nano. Họ đưa một số hạt nano qua quá trình xử lý nhiệt khiến chúng đặc hơn nhiều và ít xốp hơn.
"Nó đông đặc thành cùng một hình dạng hạt nano thứ cấp này, nhưng không còn hạt sơ cấp nào được quan sát thấy bên trong. Về cơ bản, đó là cùng một vật liệu, chỉ ở các giai đoạn khác nhau", Konovalova cho biết.
Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, sự khác biệt rất rõ ràng: "Với các hạt thực sự xốp, chúng tôi có thể tạo ra sắt rất nhanh trên một diện tích nhỏ", Goldman cho biết. "Các hạt đặc không thể đạt được cùng tốc độ, vì vậy chúng tôi bị giới hạn về lượng sắt có thể tạo ra trên mỗi mét vuông điện cực".
Đó là một hiểu biết quan trọng để đưa quy trình này vào hoạt động ở quy mô công nghiệp, nơi thành công thường phụ thuộc vào yếu tố kinh tế.
Các nhà máy điện hóa quy mô lớn tốn kém để xây dựng và chi phí này tỷ lệ thuận với diện tích điện cực. Để khả thi về mặt kinh tế, các điện cực cần có khả năng tạo ra đủ sản phẩm đủ nhanh để hoàn vốn đầu tư ban đầu.
Tốc độ phản ứng nhanh hơn của các hạt xốp có nghĩa là chi phí vốn ban đầu có thể được thu hồi nhanh hơn, chuyển thành chi phí cuối cùng thấp hơn cho sản phẩm sắt, lý tưởng nhất là đủ thấp để có thể cạnh tranh với các phương pháp thông thường.
Điểm mấu chốt không phải là các hạt nano cụ thể này là cần thiết để quá trình điện hóa diễn ra tốt, Kempler cho biết. Thay vào đó, nghiên cứu cho thấy diện tích bề mặt của vật liệu đầu vào thực sự quan trọng. Các hạt nano xốp có diện tích bề mặt lớn hơn nhiều để phản ứng diễn ra, giúp phản ứng diễn ra nhanh hơn. Các oxit sắt khác có cấu trúc xốp cũng có thể tiết kiệm chi phí.
Kempler cho biết "Mục tiêu là tìm ra thứ gì đó dồi dào, rẻ và có tác động nhỏ hơn đến môi trường so với phương án thay thế".
Chúng tôi sẽ không hài lòng nếu chúng tôi phát minh ra thứ gì đó gây hại nhiều hơn cách chính mà chúng tôi sản xuất sắt hiện nay."
Để đưa quy trình của họ vượt ra ngoài phòng thí nghiệm, phòng thí nghiệm của Kempler đang hợp tác với các nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực khác. Một sự hợp tác với các kỹ sư xây dựng tại Đại học Tiểu bang Oregon đang giúp họ hiểu rõ hơn về những gì cần thiết để sản phẩm có thể hoạt động trong các ứng dụng thực tế. Và một sự hợp tác với một công ty sản xuất điện cực đang giúp họ giải quyết các thách thức về mặt hậu cần và khoa học khi mở rộng quy mô một quy trình điện hóa.
"Tôi nghĩ rằng công trình này cho thấy rằng công nghệ có thể đáp ứng nhu cầu của một xã hội công nghiệp mà không gây ra sự tàn phá môi trường", Goldman cho biết.
"Tất nhiên, chúng tôi vẫn chưa giải quyết được tất cả các vấn đề, nhưng tôi nghĩ đây là một ví dụ đóng vai trò là điểm khởi đầu cho một cách suy nghĩ khác về các giải pháp trông như thế nào. Chúng ta có thể tiếp tục có ngành công nghiệp, công nghệ và y học, và chúng ta có thể thực hiện theo cách sạch sẽ—và điều đó thật tuyệt vời."
