de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) hat herausgefunden, dass die Zugabe bestimmter Metalloxide als katalytische Vorläufer in der wasserstoffbasierten Metallproduktion die Reduktionskinetik im Vergleich zu katalysatorfreien Prozessen verdoppeln und den Energieverbrauch senken kann.
Die Stahl- und Metallproduktion ist eine der Hauptquellen für Treibhausgasemissionen und verursacht etwa 10 % der weltweiten CO₂-Emissionen. Die wasserstoffbasierte Metallproduktion bietet eine CO₂-freie Alternative, die Reduktion, Legierungsbildung und Mikrostrukturdesign in einem einzigen Produktionsschritt vereint. Allerdings behindert die langsame Reduktionskinetik von Metallerzen bei Temperaturen unter 800 °C die breite Einführung dieser Technologie. Das MPI-SusMat-Team hatte zuvor nachgewiesen, dass das wasserstoffbasierte Reduktionsverfahren den traditionellen dreistufigen Produktionsprozess zu einem einzigen Schritt zusammenfassen kann. Die neueste Studie des Teams zeigt, dass die Zugabe von Nickeloxid bei der wasserstoffbasierten Reduktion von Eisenerz zu einer Eisen-Nickel-Legierung diesen Prozess verstärkt. Das Nickeloxid wird koredziert und bildet nanoporöses Nickel als Übergangsphase, das als hochaktiver katalytischer Vorläufer für die Reduktion von Eisenoxid fungiert. Atomsondentomographie in Kombination mit Transmissionselektronenmikroskopie zeigt, dass, wenn Nickeloxid schnell zu porösem metallischem Nickel reduziert wird, es mit benachbarten Eisenoxiden interagiert und Grenzflächen bildet. Wasserstoff interagiert an der Grenzfläche mit Nickel, wird in hochreaktive Wasserstoffatome gespalten, die dann zur Oberfläche benachbarter Eisenoxide wandern – ein Prozess, der als Wasserstoff-Spillover bezeichnet wird – und so die Reduktionsreaktion beschleunigt. Die Reduktion kann bereits bei Temperaturen von nur 300 °C gestartet werden, weit unter dem Zündpunkt von Wasserstoff. Die resultierende nickelhaltige Legierung ist eine wichtige Vorlegierung, die häufig in 304- und 316-Edelstählen sowie in hochfesten und kryogenen Stählen für die Automobil-, Energie- und Medizinbranche verwendet wird.
Die Forscher weisen darauf hin, dass, obwohl andere Übergangsmetalloxide noch nicht systematisch bewertet wurden, Elemente mit ähnlichen Eigenschaften wie Kobalt voraussichtlich ein ähnliches katalytisches Verhalten zeigen. Oxide wie TiO₂, die zwar schwer zu reduzieren sind, könnten jedoch durch die Bereitstellung aktiver Oberflächenwege den Wasserstoff-Spillover fördern. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass Legierungsbildung und Reduktion gleichzeitig ablaufen können, anstatt der traditionellen sequenziellen Interdiffusion nach der Reduktion. Diese durch Metalloxid-Katalysatoren verstärkte Prozesskopplung ermöglicht niedrigere Reduktionstemperaturen, kürzere Verarbeitungszeiten und einen geringeren Energieverbrauch und eröffnet einen nachhaltigen einstufigen Weg zur Herstellung von Eisen-Nickel-Vorlegierungen. Am MPI-SusMat wird die nachhaltige Produktion von Metallen und Legierungen durch eine Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden erforscht. Ein tieferes Verständnis dieser Kopplungsmechanismen ist entscheidend für die Entwicklung der nächsten Generation nachhaltigerer und kosteneffizienterer Reduktionstechnologien. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Synthesis“ veröffentlicht. Der Erstautor der Studie ist Dr. Xinren Chen, Postdoktorand am MPI-SusMat, und der korrespondierende Autor ist Professor Dierk Raabe, Geschäftsführer des MPI-SusMat.
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