Die Forschung zielt darauf ab, den „grünen“ Stahlprozess zu verbessern

Aug 06, 2023

Stahl ist eines der wichtigsten Industriematerialien. Weltweit werden jährlich mehr als 2 Milliarden Tonnen produziert. Aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit und geringen Kosten wird Stahl in allen Bereichen verwendet, vom Hochbau über Elektrogeräte bis hin zu Schiffen, Zügen, Autos und Fahrrädern.

Allerdings ist der Stahlherstellungsprozess für die Umwelt mit hohen Kosten verbunden, da er für 7 bis 11 % aller vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen verantwortlich ist. Wäre die Stahlindustrie ein eigenständiges Land, wäre sie der fünftgrößte Kohlendioxidproduzent.

Traditionell stellen Schmelzhütten Stahl her, indem sie dem Eisenerz durch einen carbothermischen Ansatz Sauerstoff entziehen, bei dem Eisenoxid mit Kohlenstoff und intensiver Hitze gemischt wird. Angesichts des zunehmenden Drucks von Regierungen und Investoren, die Emissionen zu reduzieren, experimentiert die Stahlindustrie mit umweltfreundlichen Stahlprojekten, die Wasserstoff anstelle einer kohlenstoffintensiven Fertigung verwenden.

Wie die wasserstoffbasierte Direktreduktion genau funktioniert, ist jedoch nicht vollständig geklärt. Professor Guangwen Zhou von der Binghamton University, Fakultätsmitglied der Fakultät für Maschinenbau des Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science, erhielt kürzlich von der National Science Foundation ein Stipendium in Höhe von 470.700 US-Dollar, um den Prozess auf atomarer Ebene zu erforschen.

„Wenn man sich die Reduktion von Eisenoxiden mit Wasserstoff ansieht, sieht es ganz einfach aus“, sagte Zhou. „Sie produzieren Eisen und Wasser. In Wirklichkeit ist es ziemlich kompliziert, da an der Reaktion mehrere andere feste Zwischenphasen beteiligt sind. Wir müssen prüfen, welcher Weg weiter verbessert werden kann, um eine höhere Effizienz zu erreichen.“

Als stellvertretender Direktor des Binghamton Institute of Materials Research und stellvertretender Direktor des Materialwissenschafts- und Ingenieurprogramms untersucht Zhou seit mehr als einem Jahrzehnt Metalloxide. Im Jahr 2011 wurde ihm für seine Forschung der NSF CAREER Award verliehen, der Nachwuchsdozenten unterstützt, die das Potenzial haben, als akademische Vorbilder in Forschung und Lehre zu fungieren.

In jüngerer Zeit führte er zusammen mit dem Brookhaven National Laboratory und anderen Mitarbeitern zwei große Studien zu Oxidreaktionen in Echtzeit durch und lieferte neue Einblicke in die Funktionsweise des Prozesses und die Steuerung der Reaktionen.

Für dieses neue NSF-Stipendium ist Zhou der Hauptforscher, aber er und seine Studenten werden die Ausrüstung von Brookhaven nutzen, einschließlich Umwelttransmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie bei Umgebungsdruck (AP-XPS), um mögliche Wege zur Reduzierung zu untersuchen Eisen aus Eisenoxid bei Temperaturen über 1.000 Grad Celsius (1.800 Grad Fahrenheit).

„Wir wollen ein grundlegendes Verständnis für die grundlegende Chronologie des Reaktionsprozesses und seiner komplizierten Transformationen vermitteln“, sagte er. „Sobald wir das wissen, können wir mit Faktoren wie der Wasserstoffmenge, dem Druck oder der Temperatur spielen, um den Prozess zu optimieren.“

Während der Planet den heißesten Sommer seit Beginn der Aufzeichnungen durchschwitzt, scheint die Reduzierung der CO2-Emissionen dringender denn je.

„Ich denke, dieses Projekt kommt zum richtigen Zeitpunkt“, sagte Zhou. „Aufgrund der Notwendigkeit, Treibhausgase zu reduzieren, besteht großes Interesse seitens der Forschungsgemeinschaft und der Gesellschaft.“