全球资源消耗现在每年达到惊人的900亿吨，对环境的长期可持续性提出了严重的挑战。大多数原材料的提取和制造过程都是能源密集型的，并且会排放大量的温室气体。因此，材料再利用和回收利用是可持续发展的关键战略。再利用和回收利用可以实现循环经济，但这是一个缺乏技术创新的领域。
在商品金属中，钢铁的回收尤为重要。每年全球生产19亿吨粗钢，炼钢约占全部人为二氧化碳(CO2)排放量的7%。大部分CO2来自钢厂中初级钢铁生产的直接排放，其中每吨钢排放2.1-2.6吨CO2。同时，在小型钢厂中使用电弧炉(EAF)回收废钢每吨钢仅排放0.4-1.0吨CO2，其中大部分CO2来自发电的间接排放。因此，在达到循环持续的闭环后，CO2排放量将大幅减少。然而，这一结果取决于再生钢的质量是否符合需求。为了实现循环经济，二次炼钢必须满足严格控制碳等元素，并将低价值的废钢转化为高价值的钢材。来自加拿大多伦多大学的Prof. Gisele Azimi教授课题组开发了一种电解精炼工艺，通过在铁水和渣电解液之间施加电动势，直接使铁水脱碳。在阳极极化时，炉渣中的氧化物阴离子直接排放到溶解在铁水中的碳上，形成气态一氧化碳。和高度依赖于与溶解氧反应的传统做法截然不同的是，本文的电解精炼直接通过界面反应实现脱碳。本文作者证明该技术仅需要低能量输入且无需试剂，便可生产超低碳钢并在阴极回收硅作为副产品。相关研究成果以题为“Electrorefining for direct decarburization of molten iron”发表在最新一期《Nature Materials》上。工业转炉使用气态氧及其通过喷枪和风口吹出的稀释混合物对铁熔体进行脱碳。以这种方式，脱碳不仅在碰撞热点处进行，而且还通过溶解在铁中的氧间接进行。与传统完全不同的是，作者建议将炼钢炉渣中的氧化物离子电化学放电作为铁水脱碳的途径。作者不依赖于中性氧原子或分子与碳的化学反应，而是表明脱碳可以通过释放氧化物离子来形成一氧化碳而无需氧气中间体。为了研究炉渣中铁水的电解精炼，作者设计了一个电化学电池，如图1a所示。作者确实观察到在阳极极化时从铁水-碳电极中释放出的气体，如图1b所示。在恒流调制下运行，作者随着时间的推移跟踪废气成分，并在极化开始时检测到一氧化碳的释放。工作电极（图1d）证实发生了脱碳。电解精炼后，碳浓度从母合金中的 3.78 wt% 降低到 0.84 wt%，电流效率高达 76%。精炼后铁中的总氧含量仅为 0.0054 wt%，表明钢的清洁度高，并突出了氧化物直接排放在碳上而不是进入铁熔池的趋势。反电极的表征证实了金属硅的沉积，其与钼基板形成合金（图1e）。作者表明，通过在铁水和炉渣之间施加电动势，可以使用电能实现铁水脱碳。有理由相信该过程是直接氧化碳，并且可以通过优化电流或电位调制来进一步提高效率。图1. 实验证明电解精炼在1600 °C下对含3.78wt%碳的铁水进行直接脱碳根据反应物和产物的消耗和产生以及阳极半电池路径的探索，作者进行了详细的电化学研究以阐明反应机制并测量其动力学参数。如图2a所示，对含不同量碳的合金和纯铁进行了电化学阻抗谱分析。碳大大降低了电荷转移电阻并增加了合金的界面电容。作者通过绘制相互电荷转移电阻与合金中碳的化学活性来测试交换电流的依赖性（图2c），证实碳直接参与了静止电位下的电位决定反应。作者进一步探索了阳极极化过程中脱碳是如何进行的，测量了稳态极化曲线（图2b）和测试了Tafel交换电流对合金中碳活性的依赖性（图2c)。以Tafel行为为特征的反应代表了涉及碳的不同反应或步骤。在某些电流密度下，极化曲线偏离Tafel行为，表明发生了新的速率决定步骤，或者更有可能的是，传质控制优先。图2e总结了脱碳反应的可能方案。与从水溶液中析出气体形成鲜明对比的是，作者推导出了理论Tafel斜率，并为每种可能的反应方案、速率决定步骤和表面覆盖率交换了当前反应顺序，总结在图2f里。图 2. 电化学技术阐明了铁水在1600 °C时的脱碳途径基于丰富的电化学测量，作者成功地阐明了脱碳机理按照图3中的示意图进行。碳使析氧反应去极化，从而使氧化物离子的放电直接发生在碳上。脱碳通过一系列单电子转移步骤进行，然后是一氧化碳的化学或物理解吸。在第一步中，氧化物阴离子在金属-渣界面处直接排放到碳上，形成吸附中间体C(O-)ads。作者测量了该反应的动力学常数。在随后的步骤中，来自氧化物离子的第二个电子被释放以形成中性吸附中间体C(O)ads。最后，一氧化碳分子从界面物理或化学解吸并成核或加入现有气泡。图3中还描绘了有助于补充界面处碳的电涡流混合现象鉴于有希望的概念验证和电化学结果，作者探索了电解精炼的能力并对该技术进行了基准测试。总体而言，电解精炼的能源消耗很低（图4a-c），而含碳量如此低的产品则具有很高的附加值。为了探索电解精炼对工业用途的重要性，作者对放大的电解精炼电池进行了探索性成本分析。它们表明电解精炼在高价值低碳范围内可能具有竞争优势，值得进一步放大中试。图 4. 电解精炼工艺在不同碳浓度范围内的性能和基准作者展示了用于铁水直接脱碳的电解精炼的概念。在铁水阳极极化时，来自熔渣电解液的氧化物离子通过一系列单电子转移步骤直接释放到溶解在铁中的碳上，然后解吸气态一氧化碳。由于一氧化碳从阳极释放出来，有价值的冶金级硅在阴极作为副产品被回收用于钢铁厂。该文报导的工艺适用于任何含碳量的铁水，并成功制备了超低碳钢。电解精炼能耗低，无需试剂，自混合，从炉渣中回收金属。除了作为一个独立的过程运行之外，电解精炼还可以与现有技术结合使用以加强精炼。电解精炼有希望在EAF小型钢厂中得到应用，以回收现有电力基础设施并生产高价值产品的钢铁。通过提高回收钢材的质量，电解精炼有助于实现材料循环闭环，减少资源消耗并减少炼钢过程中的排放。
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