Niken xanh cho quá trình điện khí hóa bền vững: Quy trình không chứa carbon chiết xuất niken cho pin và thép
Tác giả: Yasmin Ahmed Salem, Hiệp hội Max Planck
Ubaid Manzoor, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại MPI-Susmat và là tác giả đầu tiên của ấn phẩm Nature, sử dụng lò hồ quang điện để khử quặng niken cấp thấp bằng plasma hydro. Nguồn: Yasmin Ahmed Salem
Để chống lại biến đổi khí hậu và đạt được ngành công nghiệp trung hòa khí hậu, lượng khí thải carbon phải được giảm mạnh. Một phần quan trọng của quá trình chuyển đổi này là thay thế các chất mang năng lượng gốc carbon bằng điện, đặc biệt là trong các ứng dụng vận tải và công nghiệp. Tuy nhiên, sự thay đổi này phụ thuộc rất nhiều vào niken, một vật liệu quan trọng được sử dụng trong pin và thép không gỉ.
Đến năm 2040, nhu cầu về niken dự kiến sẽ tăng gấp đôi do quá trình điện khí hóa ngày càng tăng của cơ sở hạ tầng và hệ thống giao thông. Tuy nhiên, việc sản xuất một tấn niken hiện thải ra khoảng 20 tấn CO2, làm dấy lên lo ngại về việc chuyển gánh nặng môi trường từ vận tải sang luyện kim.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Vật liệu Bền vững Max Planck (MPI-SusMat) hiện đã phát triển một phương pháp tiết kiệm năng lượng, không phát thải carbon để khai thác niken. Phương pháp của họ cũng cho phép sử dụng quặng niken cấp thấp, vốn bị bỏ qua do tính phức tạp của các quy trình khai thác thông thường. Nhóm nghiên cứu Max Planck hiện đã công bố kết quả của họ trên tạp chí Nature.
Một bước duy nhất để có niken xanh
"Nếu chúng ta tiếp tục sản xuất niken theo cách thông thường và sử dụng nó để điện khí hóa, chúng ta chỉ đang chuyển hướng vấn đề chứ không giải quyết được vấn đề", Ubaid Manzoor, nhà nghiên cứu tiến sĩ tại MPI-SusMat và là tác giả đầu tiên của ấn phẩm này giải thích.
Manzoor và các đồng nghiệp của ông đã phát triển một phương pháp mới để khai thác niken từ quặng chỉ trong một bước, sử dụng plasma hydro thay vì các quy trình dựa trên carbon. Phương pháp này không chỉ cắt giảm 84% lượng khí thải CO2 mà còn tiết kiệm năng lượng hơn tới 18% khi sử dụng điện tái tạo và hydro xanh.
Theo truyền thống, ngành công nghiệp dựa vào quặng chất lượng cao, vì việc chiết xuất niken từ quặng chất lượng thấp phức tạp hơn nhiều do thành phần hóa học phức tạp của chúng. Không giống như sắt, có thể khử trong một bước duy nhất bằng cách loại bỏ oxy, niken trong quặng chất lượng thấp được liên kết hóa học trong các silicat magiê phức tạp hoặc oxit sắt.
Khai thác thông thường bao gồm nhiều giai đoạn như nung, nấu chảy, khử và tinh chế, tiêu tốn nhiều năng lượng và có lượng khí thải carbon lớn. Một bước đột phá lớn của phương pháp này là khả năng xử lý quặng niken chất lượng thấp (chiếm 60% tổng trữ lượng niken) trong một lò phản ứng duy nhất, nơi quá trình nấu chảy, khử và tinh chế diễn ra đồng thời, tạo ra hợp kim ferronickel tinh chế trực tiếp.
"Bằng cách sử dụng plasma hydro và kiểm soát các quá trình nhiệt động lực học bên trong lò hồ quang điện, chúng tôi có thể phân hủy cấu trúc phức tạp của các khoáng chất trong quặng niken cấp thấp thành các dạng ion đơn giản hơn—thậm chí không cần sử dụng chất xúc tác", Giáo sư Isnaldi Souza Filho, trưởng nhóm "Tổng hợp vật liệu bền vững" tại MPI-SusMat và là tác giả liên hệ của ấn phẩm, giải thích.
Tiết lộ các chuyển đổi pha. Nguồn: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08901-7
Hướng tới ứng dụng công nghiệp
Phương pháp này không chỉ làm giảm lượng khí thải và mức tiêu thụ năng lượng mà còn mở rộng phổ quặng niken có thể sử dụng, giúp việc khai thác tiết kiệm chi phí và bền vững hơn. Bước tiếp theo của nhóm Max Planck là mở rộng quy mô quy trình cho các ứng dụng công nghiệp.
"Quá trình khử quặng niken thành các ion đơn giản hơn chỉ xảy ra ở giao diện phản ứng, không phải trong toàn bộ quá trình nấu chảy. Trong một hệ thống nâng cấp, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng quá trình nấu chảy chưa khử liên tục đến giao diện phản ứng", Manzoor giải thích.
"Điều này có thể đạt được bằng cách triển khai các hồ quang ngắn với dòng điện cao, tích hợp thiết bị khuấy điện từ bên ngoài bên dưới lò hoặc sử dụng phương pháp phun khí". Đây là các kỹ thuật công nghiệp đã được thiết lập tốt, giúp việc tích hợp vào các quy trình hiện có trở nên khả thi.
Lộ trình sản xuất niken xanh mở ra cánh cửa cho quá trình điện khí hóa bền vững hơn của ngành vận tải. Hợp kim niken khử có thể được sử dụng trực tiếp trong sản xuất thép không gỉ và, với quá trình tinh chế bổ sung, làm vật liệu cho điện cực pin.
Ngoài ra, xỉ được tạo ra trong quá trình khử có thể đóng vai trò là nguồn tài nguyên có giá trị cho ngành xây dựng, bao gồm sản xuất gạch và xi măng. Quá trình tương tự cũng có thể được áp dụng cho coban, được sử dụng trong xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng.
Thông tin thêm: U. Manzoor và cộng sự, Niken bền vững được tạo ra nhờ quá trình khử dựa trên hydro, Nature (2025).DOI: 10.1038/s41586-025-08901-7.www.nature.com/articles/s41586-025-08901-7
