معهد ماكس بلانك يكتشف محفزًا يضاعف سرعة اختزال الحديد المعتمد على الهيدروجين

أخبار ar.wedoany.com، اكتشف فريق بحثي من معهد ماكس بلانك لأبحاث المواد المستدامة (MPI-SusMat) أن إضافة أكاسيد معدنية محددة كسلائف محفزة في إنتاج المعادن المعتمد على الهيدروجين يمكن أن يضاعف حركيات الاختزال مقارنة بالعمليات غير المحفزة، مع تقليل استهلاك الطاقة.

يُعد إنتاج الصلب والمعادن أحد المصادر الرئيسية لانبعاثات الغازات الدفيئة، حيث يساهم بنحو 10% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية. ويوفر إنتاج المعادن المعتمد على الهيدروجين بديلاً خالياً من ثاني أكسيد الكربون، حيث يدمج الاختزال والسباكة وتصميم البنية المجهرية في خطوة إنتاج واحدة. ومع ذلك، فإن بطء حركيات اختزال خامات المعادن في درجات حرارة أقل من 800 درجة مئوية يعيق اعتماد هذه التقنية على نطاق واسع. وقد أثبت فريق MPI-SusMat سابقًا أن عملية الاختزال المعتمدة على الهيدروجين يمكنها دمج عملية الإنتاج التقليدية المكونة من ثلاث خطوات في خطوة واحدة. ووجد الفريق في أحدث أبحاثه أن إضافة أكسيد النيكل أثناء اختزال خام الحديد بالهيدروجين إلى سبائك الحديد والنيكل يعزز هذه العملية. يتم اختزال أكسيد النيكل بشكل مشترك، مكونًا نيكلًا نانويًا مساميًا كطور عابر، والذي يصبح سلائف محفزة عالية النشاط لاختزال أكسيد الحديد. أظهر الفحص المجهري المقطعي بالمسح الذري المقترن بالمجهر الإلكتروني النافذ أنه عندما يتم اختزال أكسيد النيكل بسرعة إلى نيكل معدني مسامي، فإنه يتحد مع أكاسيد الحديد المجاورة ويشكل واجهات. عند الواجهات، يتفاعل الهيدروجين مع النيكل، ويتحلل إلى ذرات هيدروجين عالية التفاعل، والتي تهاجر بعد ذلك إلى سطح أكسيد الحديد المجاور، وهي عملية تُعرف باسم "الفيضان الهيدروجيني"، مما يسرع تفاعل الاختزال. يمكن أن يبدأ الاختزال عند درجة حرارة منخفضة تصل إلى 300 درجة مئوية، وهي أقل بكثير من درجة حرارة اشتعال الهيدروجين. تُعد سبائك الحديد والنيكل الناتجة سبائك أولية مهمة، تُستخدم على نطاق واسع في إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 304 و316، وكذلك في الفولاذ عالي القوة وفولاذ الخدمة الباردة المستخدم في قطاعات السيارات والطاقة والطب.

يشير الباحثون إلى أنه على الرغم من عدم تقييم أكاسيد المعادن الانتقالية الأخرى بشكل منهجي بعد، إلا أنه من المتوقع أن تظهر عناصر ذات خصائص مماثلة، مثل الكوبالت، سلوكًا تحفيزيًا مشابهًا. أما الأكاسيد مثل TiO2، فبالرغم من صعوبة اختزالها، إلا أنها قد تعزز الفيضان الهيدروجيني من خلال توفير مسارات سطحية نشطة. تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن تكوين السبائك والاختزال يمكن أن يحدثا في وقت واحد، بدلاً من التسلسل التقليدي للاختزال يليه الانتشار المتبادل. يتيح هذا الاقتران المعزز بمحفزات أكاسيد المعادن تحقيق درجات حرارة اختزال أقل، وأوقات معالجة أقصر، واستهلاك أقل للطاقة، مما يفتح طريقًا مستدامًا من خطوة واحدة لإنتاج سبائك الحديد والنيكل الأولية. في معهد MPI-SusMat، يتم استكشاف إنتاج المعادن والسبائك المستدامة من خلال الجمع بين الأساليب التجريبية والنظرية. يُعد الفهم المتعمق لآليات الاقتران هذه أمرًا بالغ الأهمية لتوجيه تطوير الجيل التالي من تقنيات الاختزال الأكثر استدامة وفعالية من حيث التكلفة. نُشرت نتائج هذا البحث في مجلة "Nature Synthesis"، حيث كان المؤلف الأول للورقة هو الدكتور Xinren Chen، باحث ما بعد الدكتوراه في MPI-SusMat، والمؤلف المراسل هو البروفيسور Dierk Raabe، المدير الإداري لـ MPI-SusMat.

تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com