Исследования направлены на улучшение процесса «зеленой» стали

Aug 06, 2023

Сталь является одним из важнейших промышленных материалов, ежегодно во всем мире производится более 2 миллиардов тонн. Из-за своей высокой прочности на разрыв и низкой стоимости сталь используется во всем: от строительства зданий и электроприборов до кораблей, поездов, автомобилей и велосипедов.

Однако процесс производства стали обходится слишком дорого для окружающей среды: на его долю приходится от 7 до 11% всех антропогенных выбросов парниковых газов. Если бы сталелитейная промышленность была отдельной страной, она бы заняла пятое место по производству углекислого газа.

Традиционно металлургические заводы производят сталь, удаляя кислород из железной руды с помощью карботермического подхода, при котором оксид железа смешивается с углеродом и подвергается интенсивному нагреву. Столкнувшись с растущим давлением со стороны правительств и инвесторов с целью сокращения выбросов, сталелитейная промышленность экспериментирует с проектами «зеленой» стали, в которых вместо углеродоемкого производства используется водород.

Однако, как именно работает прямое восстановление на основе водорода, до конца не понятно. Профессор Бингемтонского университета Гуанвэнь Чжоу, преподаватель факультета машиностроения Колледжа инженерии и прикладных наук Томаса Дж. Уотсона, недавно получил грант в размере 470 700 долларов от Национального научного фонда на исследование этого процесса на атомном уровне.

«Если вы посмотрите на восстановление оксидов железа водородом, это выглядит довольно просто», — сказал Чжоу. «Вы производите железо и воду. На самом деле это довольно сложно, поскольку в реакции участвует несколько других промежуточных твердых фаз. Нам нужно посмотреть, какой путь можно улучшить, чтобы повысить эффективность».

Будучи заместителем директора Бингамтонского института исследования материалов и заместителем директора программы материаловедения и инженерии, Чжоу занимается изучением оксидов металлов уже более десяти лет. В 2011 году его исследования принесли ему премию NSF CAREER Award, которая поддерживает молодых преподавателей, которые могут служить академическим примером для подражания в исследованиях и образовании.

Совсем недавно он объединился с Брукхейвенской национальной лабораторией и другими сотрудниками для двух крупных исследований оксидных реакций в реальном времени, предложив новое понимание того, как работает этот процесс и как контролировать реакции.

В этом новом гранте NSF Чжоу является главным исследователем, но он и его студенты будут использовать оборудование Брукхейвена, включая трансмиссионную электронную микроскопию окружающей среды (TEM) и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию при атмосферном давлении (AP-XPS), чтобы изучить возможные пути снижения железо из оксида железа при температуре, превышающей 1000 градусов Цельсия (1800 градусов по Фаренгейту).

«Мы хотим обеспечить фундаментальное понимание основной хронологии процесса реакции и его сложных трансформаций», — сказал он. «Как только мы это узнаем, мы сможем играть с такими факторами, как количество водорода, давление или температура, чтобы оптимизировать процесс».

В то время как планета потеет во время самого жаркого лета в истории, сокращение выбросов углекислого газа кажется более актуальным, чем когда-либо.

«Я думаю, что этот проект появился в нужное время», — сказал Чжоу. «Существует большой интерес со стороны исследовательского сообщества и общества из-за необходимости сокращения выбросов парниковых газов».