研制钢铁固废催化水泥生产技术的科学家技术

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员路芳团队、研究员蔡睿团队、中国工程院教授刘中民团队联合中国建材科学研究院、东北大学等合作单位，在水泥行业低碳生产方面取得新进展。研究小组利用水泥原料中的铁构建催化系统，模拟钢材固体废物的构成，制备铁基催化剂，将碳酸钙与甲烷共热定向转化为氧化钙和合成气体。这种催化剂可以直接用于水泥熟料生产，无需分离，为水泥行业绿色低碳转型提供了新的途径。国家科学表评论。

水泥行业的碳排放量约占全球工业碳排放量的7.5%，其中碳酸盐分解过程占水泥生产碳排放量的60%。由于碳酸盐分解过程受到热学和动力学的双重约束，无法突破高温强制分解的技术瓶颈。目前，水泥行业减碳的主要策略包括提高设备能效、使用生物质、氢能等低碳替代燃料，但这些方法并没有改变碳酸钙分解的核心化学过程，很难有效解决水泥领域的高碳排放问题。

在这项工作中，研究人员使用铁、铝、锌等金属元素来模拟钢材的固体废物，并制备催化剂，以促进甲烷气氛中的碳酸钙和CH?发生共热转换反应，反应后催化剂可直接用于水泥熟料生产，同时副产高附加值合成气。实验结果表明，与传统的碳酸盐分解过程相比，这一过程可以减少约80%的碳排放，为水泥行业深层脱碳提供了新的途径。

机制研究表明，催化过程主要通过两条路径实现:直接反应路径是吸附的甲烷与Ca-Fe界面处的碳氧键相互作用，转化为合成气体;分解-吸附路径是碳酸钙，首先分解形成氧化碳和二氧化碳，然后与活化的甲烷反应形成合成气体。实验表明，直接反应路径占主导地位。此外，研究小组以铁氧化物为活性位点，通过引入铝和锌，提高了催化剂的比表面和催化活性位点的分散度，改善了铁位点周围的微环境，提高了催化剂的活性。

生命周期评估表明，该技术具有良好的环境效益和碳减排潜力。