「グリーン」鉄鋼プロセスの改善を目指す研究

Aug 06, 2023

鉄鋼は最も重要な産業資材の 1 つであり、世界中で年間 20 億トン以上が生産されています。 鋼材は引張強度が高く、コストが安いため、建築、電化製品、船舶、電車、自動車、自転車に至るまであらゆるものに使用されています。

しかし、製鉄プロセスには環境に対する代償が大きく、人為的な温室効果ガス排出量の 7 ～ 11% を占めています。 鉄鋼産業が独立した国であれば、二酸化炭素の排出量は世界第 5 位となるでしょう。

伝統的に、製錬所は酸化鉄を炭素と高熱で混合する炭素熱アプローチによって鉄鉱石から酸素を除去して鋼を製造します。 排出削減を求める政府や投資家からの圧力の高まりに直面している鉄鋼業界は、炭素集約的な製造の代わりに水素を使用するグリーン鉄鋼プロジェクトを実験している。

しかし、水素ベースの直接還元が正確にどのように機能するかは完全には理解されていません。 トーマス・J・ワトソン工学応用科学大学機械工学科の教員であるビンガムトン大学の周広文教授は、このプロセスを原子レベルで研究するために、最近国立科学財団から47万700ドルの助成金を受け取りました。

「水素による酸化鉄の還元を見てみると、それは非常に単純に見えます」と周氏は言う。 「鉄と水を生成します。 実際には、反応には他のいくつかの中間固相が関与するため、実際には非常に複雑です。 効率を高めるにはどの道をさらに改善できるかを検討する必要があります。」

ビンガムトン材料研究所の副所長および材料科学工学プログラムの副所長として、周氏は 10 年以上にわたって金属酸化物の研究を行っています。 2011 年、彼の研究により、研究と教育において学術的なロールモデルとなる可能性のある若手教員を支援する NSF CAREER Award を受賞しました。

最近では、ブルックヘブン国立研究所および他の共同研究者と協力して酸化物反応の 2 つの主要な研究をリアルタイムで実施し、プロセスの仕組みと反応の制御方法について新たな洞察を提供しました。

この新しい NSF 助成金では、周氏が主任研究者ですが、彼と彼の学生たちは、環境透過型電子顕微鏡 (TEM) や常圧 X 線光電子分光法 (AP-XPS) などのブルックヘブンの装置を使用して、可能性のある削減経路を研究する予定です。摂氏1,000度（華氏1,800度）を超える温度で酸化鉄から鉄を生成します。

「私たちは、反応プロセスとその複雑な変化の基本的な年表についての基本的な理解を提供したいと考えています」と彼は言いました。 「それが分かれば、水素の量、圧力、温度などの要素を調整してプロセスを最適化することができます。」

地球が記録的な暑さの夏を汗を流す中、二酸化炭素排出量の削減はこれまで以上に緊急性を増しているように思えます。

「このプロジェクトは適切な時期に来たと思います」と周氏は語った。 「温室効果ガスを削減する必要があるため、研究コミュニティや社会から多くの関心が寄せられています。」