Sắt không cần lửa: Điện có thể thay thế lò cao như thế nào
Bởi Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ
Một quy trình điện hóa mới biến oxit sắt thành kim loại bằng điện thay vì nhiệt, có khả năng làm cho sản xuất sắt sạch hơn và rẻ hơn.
Sản xuất sắt có thể đang trên bờ vực của một sự nâng cấp lớn. Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp điện hóa sạch hơn để chiết xuất sắt, một ngày nào đó có thể cạnh tranh với các lò cao truyền thống về chi phí trong khi cắt giảm ô nhiễm.
Bằng cách tùy chỉnh các hạt oxit sắt và tối ưu hóa các điều kiện điện, nhóm đã đạt được sản xuất kim loại hiệu quả, nhiệt độ thấp—mở đường cho sản xuất thép xanh hơn ở quy mô công nghiệp.
Xem xét lại sản xuất sắt bằng điện hóa
Sắt và hợp kim của nó, như thép và gang, rất cần thiết cho cơ sở hạ tầng và sản xuất hiện đại, và nhu cầu toàn cầu đối với những vật liệu này tiếp tục tăng. Theo truyền thống, sắt được chiết xuất từ quặng bằng lò cao, một quy trình tiêu thụ một lượng lớn năng lượng và tạo ra ô nhiễm không khí đáng kể.
Bây giờ, các nhà nghiên cứu báo cáo hôm nay (ngày 9 tháng 4) trên ACS Energy Letters đã phát triển một giải pháp thay thế sạch hơn. Bằng cách sử dụng điện hóa học để chiết xuất sắt từ quặng sắt tổng hợp, phương pháp của họ một ngày nào đó có thể cạnh tranh với lò cao về cả hiệu quả và chi phí.
"Việc xác định các oxit có thể chuyển đổi thành kim loại sắt ở nhiệt độ thấp là một bước quan trọng trong việc phát triển các quy trình sản xuất thép hoàn toàn bằng điện", Paul Kempler, tác giả liên hệ của nghiên cứu cho biết.
Hình dạng và độ xốp, chứ không phải kích thước, của các hạt oxit kim loại là yếu tố quan trọng đối với hiệu quả sản xuất sắt bằng điện hóa. Nguồn: Chuyển thể từ ACS Energy Letters 2025, DOI: 10.1021/acsenergylett.5c00166
Phân tích quy trình điện hóa
Trong phương pháp điện hóa này, điện được truyền qua chất lỏng chứa vật liệu giàu sắt, cô lập kim loại mà không cần nhiệt độ cực cao. Phương pháp này có thể giảm đáng kể lượng khí thải, bao gồm khí nhà kính, lưu huỳnh đioxit và vật chất dạng hạt, đồng thời cải thiện hiệu quả năng lượng. Trong công trình trước đó, nhóm của Kempler đã chứng minh rằng các hạt oxit sắt (III) rắn có thể được khử thành sắt nguyên chất trong dung dịch natri hydroxit ở nhiệt độ tương đối thấp (176-194°F hoặc 80-90°C). Tuy nhiên, quặng sắt tự nhiên, thường đặc, không đều và chứa nhiều tạp chất, tỏ ra là thách thức đối với phương pháp này.
Để khắc phục điều này, Kempler đã hợp tác với các nhà nghiên cứu Anastasiia Konovalova và Andrew Goldman để khám phá loại vật liệu giống quặng sắt nào có thể hỗ trợ tốt hơn cho khả năng mở rộng quy mô của quy trình sạch hơn này.
Điều chỉnh oxit sắt để có kết quả tốt hơn
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã chuẩn bị các hạt oxit sắt có diện tích bề mặt lớn với các lỗ bên trong và khoang liên kết để nghiên cứu cách hình thái nano của các hạt tác động đến phản ứng điện hóa. Sau đó, họ chuyển đổi một số hạt này thành các hạt oxit sắt rộng micromet để mô phỏng hình thái của quặng tự nhiên. Các hạt này chỉ chứa một số ít tạp chất vết, chẳng hạn như cacbon và bari. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một catốt chuyên dụng để kéo kim loại sắt từ dung dịch natri hiđrôxit chứa các hạt oxit sắt khi dòng điện chạy qua.
Trong các thí nghiệm, oxit sắt đặc đã được khử hoặc chuyển đổi thành sắt nguyên tố, chủ yếu là chọn lọc ở mật độ dòng điện 50 miliampe trên một centimet vuông, tương tự như pin lithium-ion sạc nhanh. Ngược lại, các hạt rời có độ xốp cao hơn và do đó diện tích bề mặt lớn hơn, tạo điều kiện cho sản xuất sắt điện hóa hiệu quả hơn, so với các hạt được tạo ra giống với quặng sắt hematit tự nhiên ít xốp hơn.
Hiệu quả, Chi phí và Con đường phía trước
Các nhà nghiên cứu đã đánh giá chi phí tiềm năng của phương pháp sản xuất sắt điện hóa của họ. Ở mật độ dòng điện được sử dụng trong các thí nghiệm, họ ước tính rằng sắt có thể được sản xuất với giá dưới 600 đô la một tấn (0,60 đô la một kilôgam), tương đương với sản xuất sắt truyền thống.
Nghiên cứu cho thấy rằng mật độ dòng điện cao hơn nhiều, lên tới 600 miliampe trên một centimet vuông, tương tự như mật độ được sử dụng trong các ô điện phân công nghiệp, có thể đạt được khi sử dụng các hạt có độ xốp ở cấp độ nano. Cần có những tiến bộ hơn nữa trong thiết kế và kỹ thuật pin điện hóa để làm cho nguyên liệu oxit sắt xốp hơn trước khi công nghệ này được áp dụng thương mại.
Tài liệu tham khảo: “Pathways to Electrochemical Ironmaking at Scale Via the Direct Reduction of Fe2O3” ngày 9 tháng 4 năm 2025, ACS Energy Letters.
DOI: 10.1021/acsenergylett.5c00166
Các tác giả xin cảm ơn sự tài trợ từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Văn phòng Khoa học, Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản.
