Plus rapide et plus économe en énergie : les catalyseurs stimulent la production d'acier à base d'hydrogène

Une équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck pour les matériaux durables (MPI-SusMat) vient de faire une percée significative. Ils ont découvert que l'ajout d'oxydes métalliques spécifiques comme précurseurs catalytiques peut doubler la cinétique de réduction de la production de métaux à base d'hydrogène par rapport aux processus non catalysés et permettre une réduction de la consommation d'énergie. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue scientifique Nature Synthesis.

Oxydes de nickel : le catalyseur le plus prometteur pour les aciers inoxydables et maraging

La production conventionnelle d'alliages est généralement un processus en trois étapes : d'abord, la réduction des minerais en métaux, puis le mélange d'éléments liquéfiés pour créer un alliage, et enfin l'application de traitements thermomécaniques pour obtenir les propriétés souhaitées. Chacune de ces étapes consomme beaucoup d'énergie et fait appel au carbone en tant que vecteur d'énergie et agent réducteur, ce qui entraîne d'importantes émissions de CO2 et une forte consommation d'énergie. L'équipe MPI-SusMat a démontré qu'un processus de réduction basé sur l'hydrogène permet de fusionner ces trois étapes en une seule.

Xinren Chen, chercheur postdoctoral à MPI-SusMat et premier auteur de la dernière publication, et ses collègues montrent maintenant que cette approche permet non seulement de réduire les émissions de carbone en utilisant l'hydrogène comme agent réducteur, mais aussi d'accélérer fondamentalement la cinétique de la réaction.

L'équipe démontre comment ce processus métallurgique en une étape peut être amélioré en ajoutant de l'oxyde de nickel pendant la réduction à base d'hydrogène des minerais de fer en alliages fer-nickel. Les oxydes de nickel supplémentaires sont coréduits et forment du nickel nanoporeux en tant que phase transitoire. Ce nickel nanoporeux agit comme un précurseur de catalyseur très actif pour la réduction des oxydes de fer et augmente leur taux de réduction.

"L'ajout d'oxydes de nickel à un processus de réduction d'oxydes de fer en cours rend la réduction globale deux fois plus rapide. La tomographie par sonde atomique combinée à la microscopie électronique à transmission a révélé que lorsque les oxydes de nickel sont rapidement réduits en nickel métallique poreux, ils se lient aux oxydes de fer voisins et créent une interface. Lorsque l'hydrogène, l'agent réducteur, atteint cette interface, le nickel aide à diviser les molécules d'hydrogène en atomes d'hydrogène hautement réactifs. Ces atomes se déplacent ensuite sur les surfaces d'oxyde de fer voisines, un processus connu sous le nom de "hydrogen spillover", ce qui permet d'accélérer les réactions de réduction. La réduction peut notamment s'amorcer à des températures aussi basses que 300 °C, bien en dessous du point d'ignition de l'hydrogène", explique M. Chen.

L'alliage contenant du nickel qui en résulte est un alliage principal important, largement utilisé dans les aciers industriels, notamment les aciers inoxydables 304 et 316, ainsi que les aciers à haute résistance et cryogéniques utilisés dans l'automobile, l'énergie et les applications médicales.

D'autres oxydes métalliques ont-ils le même effet catalytique ?

En utilisant des oxydes de nickel, les chercheurs ont réussi à accélérer la réduction du minerai de fer par l'hydrogène. Le nickel est thermodynamiquement et métallurgiquement compatible avec le fer, ce qui le rend particulièrement efficace dans ce processus. "Alors que d'autres oxydes de métaux de transition n'ont pas encore été systématiquement évalués, des éléments aux propriétés similaires, tels que le cobalt, devraient présenter un comportement catalytique comparable, ce qui ouvre des perspectives prometteuses pour de futures recherches. En outre, des oxydes tels que le TiO2, bien qu'ils ne soient pas facilement réductibles dans ces conditions, peuvent également faciliter le débordement de l'hydrogène en fournissant des voies de surface actives pour la migration de l'hydrogène atomique", déclare le professeur Dierk Raabe, directeur général de MPI-SusMat et auteur correspondant de la publication.

Dans l'ensemble, ces résultats démontrent que la formation et la réduction d'alliages peuvent se dérouler simultanément, plutôt que par la séquence conventionnelle d'interdiffusion post-réduction. Ce couplage de processus améliorés par des catalyseurs à base d'oxyde métallique permet de réduire les températures de réduction, les temps de traitement et la consommation d'énergie, ce qui ouvre la voie à un procédé en une seule étape plus durable pour la production d'alliages maîtres fer-nickel. Au-delà de ce système spécifique, les résultats offrent de nouvelles perspectives mécanistiques qui pourraient contribuer à une avancée significative vers des processus d'extraction métallurgique plus efficaces sur le plan énergétique et plus rapides.

Au MPI-SusMat, la production durable de métaux et d'alliages est étudiée sous de multiples angles, en combinant des approches expérimentales et théoriques. Dans la réduction directe à l'état solide, la cinétique est régie par une interaction complexe de facteurs tels que la température, le choix du réducteur et du système métallique, et les effets catalytiques. Une compréhension plus approfondie de ces mécanismes couplés est essentielle pour guider le développement de la prochaine génération de technologies de réduction plus durables et plus rentables.