科学家创造了一种可持续的方法，将金属提取、合金化和加工结合成一步环保操作。
来自马克斯·普朗克研究所的研究人员开发了一种整体方法，将金属提取、合金制造和加工整合在一起，所有这些都是在一次环保操作中完成的。他们的创新工作已在《自然》杂志上发表。
金属制造占全球二氧化碳排放的10%。具体而言，从铁中生产一吨金属会产生两吨二氧化碳，而镍的生产每吨会排放惊人的14吨二氧化碳，视矿石类型而定，高于这一排放量的情况也可能存在。这些金属对于制造被称为“因瓦”（Invar）的合金至关重要，这些合金具有较低的热膨胀特性，并在航空航天、低温运输、能源和精密仪器等多个领域发挥重要作用。为了减轻环境影响，马克斯·普朗克可持续材料研究所（MPI-SusMat）的科学家成功研发了一种新方法生产因瓦合金，该方法不排放二氧化碳并节省大量能源。这是通过一种单步工艺实现的，该工艺将金属提取、合金化和热机械处理结合在一个反应器中。
他们的开创性方法挑战了传统的提取冶金和物理冶金之间的区别，使得可以在一次高效的固态操作中直接将氧化物转化为可用产品。他们的研究成果已发布在《自然》杂志上。
一步法金属生产降低能源使用和二氧化碳排放
“我们给自己提出了一个问题：是否可以直接从矿石或氧化物中创造一种优化的微观结构和特性的合金，而不排放二氧化碳？”马克斯·普朗克可持续材料研究所的洪堡研究员、研究的主要作者韦少楼博士表示。典型的合金生产包括三个阶段：首先，将矿石转化为金属；第二，将熔化的元素混合以形成合金；最后，应用热机械处理以获得所需特性。这些阶段都消耗大量能源，并依赖碳作为能源来源和还原剂，导致显著的二氧化碳排放。韦博士补充道：“我们的关键想法是理解每种元素的热力学和动力学，利用在约700°C下具有类似还原性和混合性的氧化物。” “这个温度远低于熔点，让我们能够从氧化物形态中提取金属，并通过单一的固态工艺将其混合成合金，而无需重新加热。”与传统方法相比，传统方法使用碳实现还原，导致金属中的碳污染，而新工艺则使用氢作为还原剂。“转向氢气有四大主要好处，”MPI-SusMat的常务董事、论文通讯作者迪尔克·拉比教授解释道。“首先，氢气还原过程只产生水作为副产品，因此不产生二氧化碳排放。其次，它可以直接生产纯金属，消除了后续去除碳的需求，从而节省时间和能源。第三，该过程在固态环境中以相对低的温度运行。最后，我们避免了传统冶金过程中常见的多次冷却和加热循环。”
通过这一创新技术生成的因瓦合金不仅展示了传统因瓦合金典型的低热膨胀特性，而且由于该过程自然获得的细小晶粒尺寸，提供了增强的机械强度。
向工业应用扩大规模
马克斯·普朗克的研究人员已经证明，创造一种快速、无碳的高效能因瓦合金工艺不仅可行，而且前景广阔。然而，在将该方法扩展到工业应用时面临三个主要挑战：
首先，研究人员在其概念验证研究中使用了纯氧化物，而工业用途可能涉及含有杂质的标准氧化物。这需要对工艺进行修改，以管理低品位材料，而不影响合金的质量。其次，虽然使用纯氢进行还原效果显著，但在大规模生产中成本可能较高。因此，团队正在尝试在更高温度下使用较低浓度的氢，以在氢气效率和能源成本之间找到平衡，使这一方法在工业应用中更具经济可行性。第三，尽管当前方法采用无压烧结，但在工业规模上创建细颗粒的块状材料可能需要加入压制步骤。将机械变形纳入工艺中，可能进一步增强材料的结构完整性，同时保持生产流程的简化。
展望未来，这一一步法技术的灵活性打开了众多新途径。由于铁、镍、铜和钴均可通过这种方式加工，高熵合金的发展可能是下一个关注的领域。这些合金因其在多种成分中的独特性能而备受推崇，并可能导致新材料的创造，例如适合先进技术应用的软磁合金。另一个值得探索的方向是利用冶金废物而非纯氧化物。通过去除废料中的杂质，这一策略可能将工业副产品转化为有价值的资源，进一步促进金属制造的可持续性。
通过消除对高温和化石燃料的依赖，这一基于氢的一步法过程有可能大幅降低合金生产的环境影响，预示着冶金行业将迎来更加绿色和可持续的未来。
本研究得到了亚历山大·冯·洪堡基金会授予韦少楼博士的奖学金支持，以及迪尔克·拉比教授获得的欧洲先进研究基金。
