与炼铁相关的碳排放是各国政府面临的最大问题之一，政府正在努力使这些排放达到净零，电化学炼铁工艺是当前业内较为关注的方向。

电化学炼铁

美国俄勒冈大学的研究团队一直在寻找一种将铁矿石转化为铁金属的直接途径。目前正在重点关注电化学。

电化学是实现可充电电池的科学方法，也是将水转化为氢燃料的可扩展方法，并且长期以来一直通过与电化学保护系统的耦合来防止钢材生锈。电化学电池是一个更极端的防锈实例，通过施加足够的驱动力将铁氧化物直接转化为铁金属。这样就不需要制氢，甚至不需要熔炉，就能生产出可在电弧炉中熔化的纯铁产品。

整个过程采用可扩展的反应物（盐水、氧化铁），并在反应器中产生金属，反应器的运行温度较低，甚至比泡一壶茶所需的温度还要低。此外，设计灵感来自于最大的工业化电化学电池之一（氯碱工艺），这意味着反应器所需的组件已经大量生产。钢铁工业规模巨大，任何利用现有供应链的工艺都具有先天优势，从而尽早减少炼铁工艺碳排放。

在实验室生产出铁之前，俄勒冈大学研究团队选择了具体的设计方案。为了降低成本，对化学工艺和能源价格方案进行了多种经济模型分析，试图找到一种与现有生铁价格相匹配的解决方案。最终发现，唯一能满足这一条件的工艺是那些节约电子的工艺，即每个电子通过回路时都能产生多种化学品的反应。氯碱法生产的烧碱和氯的成本相对较低，原因就在于这一关键特性，由此可以认为，相较高炉生铁，通过所谓的“氯铁法”生产的铁在成本上更具竞争力。虽然通过这种反应生产的铁的最终规模可能与现有氯碱行业（约1亿吨/年）的规模相当，但要使这种绿色炼铁工艺投入市场，成本竞争力的提升至关重要。

在寻求电化学炼铁工艺方面，俄勒冈大学并非孤军奋战。将氧化铁溶解到酸中通过化学反应产生金属已有100多年的历史。早在20世纪中期，Diamond Shamrock公司的研究人员就首次报道了在浓烧碱（类似于电池中的还原环境）中将氧化铁直接还原成金属铁的方法。最近，麻省理工学院的研究人员开发出了一种熔融氧化物工艺，该工艺生产铁的方式与俄勒冈大学生产铝的方式类似，只是温度要高得多，而且最终氧化产物是氧气而不是二氧化碳。

扩大规模的挑战和机遇

所有这些工艺都是通过电化学实现的，虽然每种工艺都面临着独特的技术挑战，难以达到现有工艺和氢基炼铁工艺的规模和能效，但也有一些共同的优势。电化学炼铁方法的一大优点是，它们都是分离天然矿石中所含元素的有效方法，因此，它们可能对地壳中的铁源具有更广泛的“反应范围”。一个共同的挑战是，电化学反应器无法像基于大型储罐和熔炉的反应器那样实现大规模炼铁。这是因为高效电化学电池受到正负电极之间所需间隙的限制，以及电力供应的实际限制，因此扩大规模主要是通过重复相同的模块来实现。这种模块化技术得益于莱特定律，该定律预测资本成本会随着累积产量的增加而稳步下降。

如果电化学电池要与碳基炼铁工艺竞争，规模至关重要。俄勒冈大学团队的研究人员几乎每天都在运行小型电池和反应器，将粉末状氧化铁转化为铁金属。在一个典型的实验中，在反应器中装入赤铁矿粉末悬浮液（呈红色，在整个实验室的泵和电线上留下深红色的污渍），将电源连接到被薄膜隔开的正负极上，然后通过电流使颗粒粘附在负极表面，并开始还原。当氧化铁颗粒释放出晶格中的氧原子时，就会产生氢氧化钠水溶液，电极表面就会形成高纯度的铁金属结晶层。反应完成后，铁很容易与电极分离。称量反应产物的重量并对其形态进行成像后，会将其保存起来，以便进行进一步的表征，或将其运送给项目合作方。由此生产的铁在形态和纯度上与直接还原铁炉生产的铁相似，因此，在大规模工艺中，从反应器中获得的产品可以送入电弧炉，作为一次或二次炼钢工艺的原料。

目前，俄勒冈大学以克为单位生产铁，主要使用实验室级氧化铁反应物。在美国能源部和可再生能源实验室的支持下，目前正在努力建造一个每小时生产1kg铁的反应器，同时将反应范围扩大到丰富的低品位氧化铁源。为了在反应器和选矿工艺中试用，研究团队也一直在寻找新的氧化铁来源。今后还将寻求与矿产供应商进行合作，并且通过与工业界、大学和国家实验室的研究人员组成庞大的团队，共同确定钢铁和其他行业脱碳的最有前途的方法。

为了解决脱碳问题，各国政府都在提供实质性支持，开展基础和应用研究。如今，研究人员拥有人类有史以来最强大的设备来观察材料的转变，这些仪器将助力找到创新的方法来制造材料，同时避免二氧化碳排放。