Più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico: i catalizzatori stimolano la produzione di acciaio a idrogeno

Un gruppo di ricercatori dell'Istituto Max Planck per i materiali sostenibili (MPI-SusMat) ha ora compiuto un importante passo avanti. Hanno scoperto che l'aggiunta di ossidi metallici specifici come precursori catalitici può raddoppiare la cinetica di riduzione della produzione di metalli a base di idrogeno rispetto ai processi non catalizzati e consentire un uso ridotto di energia. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista scientifica Nature Synthesis.

Ossidi di nichel: il catalizzatore più promettente per gli acciai inossidabili e maraging

La produzione convenzionale di leghe è tipicamente un processo in tre fasi: prima la riduzione dei minerali in metalli, poi la miscelazione di elementi liquefatti per creare una lega e infine l'applicazione di trattamenti termomeccanici per ottenere le proprietà desiderate. Ognuna di queste fasi è ad alta intensità energetica e si basa sul carbonio come vettore energetico e agente riducente, con conseguenti significative emissioni di CO2 e un elevato consumo energetico. Il team MPI-SusMat ha dimostrato in precedenza che un processo di riduzione basato sull'idrogeno consente di unire queste tre fasi di processo in un unico passaggio.

Il Dr.-Ing. Xinren Chen, ricercatore post-dottorato presso MPI-SusMat e primo autore dell'ultima pubblicazione, e i suoi colleghi dimostrano ora che questo approccio non solo riduce le emissioni di carbonio utilizzando l'idrogeno come agente riducente, ma può anche accelerare in modo sostanziale la cinetica di reazione.

Il team ha dimostrato come questo processo metallurgico a una fase possa essere migliorato aggiungendo ossido di nichel durante la riduzione a idrogeno dei minerali di ferro in leghe ferro-nichel. Gli ossidi di nichel aggiuntivi vengono co-ridotti e formano nichel nanoporoso come fase transitoria. Questo nichel nanoporoso agisce come un precursore catalitico altamente attivo per la riduzione degli ossidi di ferro e ne aumenta il tasso di riduzione.

L'aggiunta di ossidi di nichel a un processo di riduzione in corso di ossidi di ferro rende la riduzione complessiva due volte più veloce". La tomografia a sonda atomica combinata con la microscopia elettronica a trasmissione ha rivelato che, mentre gli ossidi di nichel vengono rapidamente ridotti a nichel metallico poroso, si legano agli ossidi di ferro vicini e creano un'interfaccia. Quando l'idrogeno, come agente riducente, colpisce questa interfaccia, il nichel aiuta a scindere le molecole di idrogeno in atomi di idrogeno altamente reattivi. Questi atomi si spostano poi sulle superfici degli ossidi di ferro vicini, un processo noto come "hydrogen spillover", consentendo reazioni di riduzione accelerate. In particolare, la riduzione può iniziare a temperature di soli 300°C, ben al di sotto del punto di accensione dell'idrogeno", spiega Chen.

La lega contenente nichel che ne deriva è un'importante lega principale ampiamente utilizzata negli acciai industriali, tra cui gli acciai inossidabili 304 e 316, nonché gli acciai criogenici e ad alta resistenza utilizzati per applicazioni automobilistiche, energetiche e mediche.

Altri ossidi metallici hanno lo stesso effetto catalitico?

Utilizzando ossidi di nichel, i ricercatori hanno accelerato con successo la riduzione del minerale di ferro a base di idrogeno. Il nichel è termodinamicamente e metallurgicamente compatibile con il ferro, il che lo rende particolarmente efficace in questo processo. "Mentre altri ossidi di metalli di transizione non sono ancora stati valutati sistematicamente, si prevede che elementi con proprietà simili, come il cobalto, mostrino un comportamento catalitico comparabile, offrendo direzioni promettenti per le indagini future. Inoltre, ossidi come il TiO2, sebbene non facilmente riducibili in queste condizioni, possono anche facilitare lo spillover di idrogeno fornendo percorsi superficiali attivi per la migrazione dell'idrogeno atomico", afferma il professor Dierk Raabe, amministratore delegato di MPI-SusMat e autore corrispondente della pubblicazione.

Nel complesso, questi risultati dimostrano che la formazione della lega e la riduzione possono procedere simultaneamente, piuttosto che attraverso la sequenza convenzionale dell'interdiffusione successiva alla riduzione. Questo accoppiamento di processi potenziato dai catalizzatori di ossidi metallici consente di ottenere temperature di riduzione più basse, tempi di lavorazione più brevi e un consumo energetico ridotto, aprendo una strada più sostenibile in un unico passaggio per la produzione di leghe master di ferro-nichel. Al di là di questo sistema specifico, i risultati offrono nuovi spunti meccanici che potrebbero contribuire a un significativo progresso verso processi di estrazione metallurgica più efficienti dal punto di vista energetico e accelerati.

All'MPI-SusMat, la produzione sostenibile di metalli e leghe viene esplorata da molteplici prospettive, combinando approcci sperimentali e teorici. Nella riduzione diretta allo stato solido, la cinetica è regolata da una complessa interazione di fattori, tra cui la temperatura, la scelta del riduttore e del sistema metallico e gli effetti catalitici. Una comprensione più approfondita di questi meccanismi accoppiati è essenziale per guidare lo sviluppo di tecnologie di riduzione di nuova generazione, più sostenibili ed efficienti dal punto di vista dei costi.