Katalysatoren beschleunigen wasserstoffbasierte Stahlproduktion

Auf einen Blick:

Herausforderung:
Die konventionelle Stahl- und Metallproduktion verursacht rund 10% der weltweiten CO2-Emissionen. Die wasserstoffbasierte Produktion bietet eine nachhaltige Alternative, ist bislang jedoch vergleichsweise langsam und energieintensiv.
Forschungsfrage:
Wie lässt sich die wasserstoffbasierte Metallproduktion, insbesondere von Stahl, beschleunigen?Ergebnis: Nickeloxide wirken wie ein Katalysator bei der wasserstoffbasierten Eisenreduktion und beschleunigen die Legierungsherstellung um das Zweifache.
Ausblick:
Durch eine schnellere und energieeffizientere Reduktion bringt dieser Ansatz die wasserstoffbasierte Stahlproduktion einen wichtigen Schritt näher an die industrielle Anwendung.

Die Stahl- und Metallproduktion zählt zu den größten Verursachern von Treibhausgasemissionen und ist für etwa 10% der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Gleichzeitig ist moderne Technologie auf maßgeschneiderte Stähle und Metalle angewiesen, zum Beispiel für Anwendungen in den Bereichen Mobilität, Energie, Infrastruktur, Sicherheit und Medizin.

Die wasserstoffbasierte Metallproduktion bietet eine vielversprechende und CO2-freie Alternative. Darüber hinaus ermöglicht sie Reduktion, Legierung und Mikrostrukturdesign in einem einzigen Prozessschritt zu vereinen. Dennoch steht sie auf dem Weg zur breiten industriellen Anwendung noch vor mehreren Herausforderungen. Eine davon ist die vergleichsweise langsame Reduktionsgeschwindigkeit von Metallerzen bei Temperaturen unter 800°C.

Ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien (MPISusMat) hat nun einen bedeutenden Durchbruch erzielt. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass bestimmte Metalloxide die wasserstoffbasierte Reduktion von Eisenerzen zu Eisen und die Legierungsherstellung um ein zweifaches beschleunigen und den Energieverbrauch reduzieren können. Das Team veröffentlichte jetzt seine Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Synthesis.

Nickel-Oxide: die vielversprechendsten Katalysatoren zur Herstellung von Edelund Hochleistungsstählen

Die konventionelle Legierungsproduktion erfolgt typischerweise in drei Schritten:
Zunächst werden Erze zu Metallen reduziert, die Metalle werden zu einer Legierung gemischt, und anschließend thermomechanisch behandelt, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Jeder dieser Schritte ist energieintensiv und nutzt Kohlenstoff sowohl als Energieträger als auch als Reduktionsmittel. Dadurch entstehen erhebliche CO2-Emissionen und ein hoher Energieverbrauch.

Das Team des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien hat bereits zuvor gezeigt, dass mit Hilfe von Wasser- statt Kohlenstoff, dieser bisher dreistufige Prozess in einem einzigen Schritt und Reaktor zusammengefasst werden kann. Und dies CO2- frei und bei weitaus niedrigeren Temperaturen, also einem geringeren Energieverbrauch.

Dr.-Ing. Xinren Chen, Postdoktorand am MPI-Susmat und Erstautor der Publikation, konnte zeigen, dass die wasserstoffbasierte Kompakt-Reduktion nicht nur CO2-frei ist, sondern auch, dass sie die Reaktionszeit erheblich verkürzt. Fügt man am Anfang der wasserstoffbasierten Reduktion von Eisenoxiden, auch Nickeloxide hinzu, entsteht zuerst poröses Nickel. Dieses Nickel wirkt wie ein Katalysator auf die Reduktion der Eisenoxide.

„Die Zugabe von Nickeloxiden in den Lichtbogenofen beschleunigt die Reduktion der Eisenoxide um ein Zweifaches. Die Nickeloxide werden ziemlich schnell zu porösem Nickel reduziert, welches sich mit den Eisenoxiden verbindet und eine Grenzfläche bildet. Wenn die Wasserstoffmoleküle an diese Grenzfläche stoßen, werden sie vom Nickel in hochaktive Wasserstoffatome gespaltet. Diese Atome verbinden sich mit benachbarten Eisenoxid-Grenzflächen und beschleunigen die Reduktion zu Eisen. Das Zugeben von Nickeloxiden initiiert die Eisenoxid-Reduktion bei einer Temperatur von 300°C, also weit unter der normalen wasserstoffbasierten Reduktion“, erklärt Chen.

Das Ergebnis dieser beschleunigten Reduktion ist eine Eisen-Nickel-Legierung, die sich optimal als Ausgangsmaterial für Edelstähle, zum Beispiel 304 und 316, und für Hochleistungsstähle für den Automobilbau, die Energietechnik oder medizinische Anwendungen, eignet.

Eignen sich andere Oxide als Katalysatoren?

“Prinzipiell gehen wir davon aus, dass auch andere Metalloxide mit ähnlichen Eigenschaften wie Nickel, zum Beispiel Kobalt, die Reduktion beschleunigen können. Auch Titanoxide könnten die Oberflächenreaktionen mit Wasserstoff fördern, sind allerdings schwieriger in der Reduktion. Nachdem wir Nickel entdeckt haben, geht es nun darum systematisch mögliche Katalysatoren zu identifizieren“, erklärt Professor Dierk Raabe, Direktor am MPI-SusMat und korrespondierender Autor der Publikation.

Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die Reduktion und das Legieren gleichzeitig ablaufen können. Diese durch Metalloxide bestärkte Kopplung der Prozesse ermöglicht niedrigere Reduktionstemperaturen, kürzere Prozesszeiten und einen geringeren Energieverbrauch für die Herstellung von Eisen-Nickel-Basislegierungen.

Über dieses spezifische System hinaus ebnen die Ergebnisse den Weg zu energieeffizienteren und schnelleren metallurgischen Prozessen.

Am MPI-SusMat wird die nachhaltige Herstellung von Metallen und Legierungen aus verschiedenen Perspektiven untersucht, wobei experimentelle und theoretische Ansätze kombiniert werden. Die Direktreduktion wird durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Faktoren bestimmt – darunter Temperatur, die Wahl des Reduktionsmittels und des Metallsystems sowie katalytische Effekte. Ein tieferes Verständnis dieser gekoppelten Mechanismen ist entscheidend, um die Entwicklung der nächsten Generation nachhaltigerer und kosteneffizienterer Reduktionstechnologien gezielt voranzutreiben.

Original-Veröffentlichung:
X. Chen, B. Bienvenu, T. Yang, B. Gault, S.L. Wei, X. Zhou, D. Raabe: Solid-solid catalysis for sustainable alloy synthesis. In: Nature Synthesis DOI: 10.1038/s44160- 026-01086-5

Veröffentlichung zur Kompakt-Metallurgie:
S.L. Wei, Y. Ma, D. Raabe: One step from oxides to sustainable bulk alloys. In: Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07932-w

(Quelle: Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien (MPI-SusMat))