"Выявление оксидов, которые могут быть преобразованы в металлическое железо при низких температурах, является важным шагом в разработке полностью электрифицированных процессов выплавки стали", - говорит Пол Кемплер, автор-корреспондент исследования.

Электрохимическое производство чугуна изолирует металл путем пропускания электричества через жидкость, содержащую железосодержащее сырье. По сравнению с высокотемпературными доменными печами электрохимический процесс может значительно сократить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, таких как парниковые газы, диоксид серы и твердые частицы, и предполагает значительную экономию энергии. Ранее Кемплер и его коллеги использовали этот процесс для преобразования растворов, содержащих твердые частицы оксида железа (III) и гидроксид натрия, непосредственно в элементарное железо при температурах от 176 до 194 градусов по Фаренгейту (от 80 до 90 градусов Цельсия). Однако, когда были протестированы некоторые природные железные руды с неравномерным размером, плотными частицами и примесями, этот низкотемпературный процесс оказался недостаточно избирательным. Итак, Кемплер и новая команда исследователей во главе с Анастасией Коноваловой и Эндрю Голдманом хотели понять, какое сырье, похожее на железную руду, могло бы способствовать масштабируемому росту процесса.

Сначала исследователи подготовили частицы оксида железа с большой площадью поверхности с внутренними отверстиями и соединительными полостями, чтобы исследовать, как наноразмерная морфология частиц влияет на электрохимическую реакцию. Затем они превратили некоторые из них в частицы оксида железа микрометрового размера, чтобы имитировать морфологию природных руд. Эти частицы содержали лишь несколько незначительных примесей, таких как углерод и барий. Команда разработала специализированный катод для извлечения металлического железа из раствора гидроксида натрия, содержащего частицы оксида железа, при прохождении через него тока. В экспериментах плотные оксиды железа восстанавливались или превращались в элементарное железо наиболее избирательно при плотности тока 50 миллиампер на квадратный сантиметр, аналогично быстрой зарядке литий-ионных аккумуляторов. И наоборот, рыхлые частицы с более высокой пористостью и, следовательно, большей площадью поверхности способствовали более эффективному электрохимическому производству железа по сравнению с теми, которые были изготовлены так, чтобы напоминать менее пористый природный железорудный гематит.

Исследователи оценили потенциальную стоимость своего электрохимического метода получения железа. При плотности тока, использованной в экспериментах, они подсчитали, что производство железа может стоить менее 600 долларов за метрическую тонну (0,60 доллара за килограмм), что сопоставимо с традиционным производством железа. Исследование показало, что гораздо более высокие плотности тока, до 600 миллиампер на квадратный сантиметр, аналогичные тем, которые используются в промышленных электролизерах, могут быть достигнуты при использовании частиц с наноразмерной пористостью. Прежде чем технология получит коммерческое применение, потребуются дальнейшие усовершенствования в конструкции электрохимических элементов и методах получения более пористого сырья из оксида железа.

Авторы признают финансирование со стороны Министерства энергетики США, Управления науки, Управления фундаментальных энергетических наук.